某鋼框架斜柱結構設計分析

王娛

中鐵上海設計院集團有限公司 上海 200070

1 結構概況

某高層建筑主體采用鋼框架結構體系，建筑高度為55.5m，地下兩層，地上十三層。為滿足建筑外立面設計需要，地上結構底部2層設置斜柱轉換層，斜柱由地下室頂板支承到地上2層頂板。斜柱KZ1、KZ2與豎向平面夾角為35.9°，采用箱型截面600x600x40x40，材性為Q355B。

圖1 斜柱結構局部模型示意圖

2 斜柱相連梁柱受力分析

為研究斜柱結構受力性能特點，現對斜柱KZ1、KZ2及其相連構件進行受力分析，分析構件如圖2、圖3所示。斜柱對結構的主要影響是由柱子傾斜而引起的水平分力，該水平分力由梁、板共同承擔。

圖2 斜柱KZ1內力分析圖

圖3 斜柱KZ2內力分析圖

表1 KZ1節點受力情況（kN）

表2 KZ2節點受力情況（kN）

由上述計算結果可以看出，斜柱的存在使得鋼柱軸力產生水平分量，與斜柱相連的上層鋼梁承擔該水平力并受拉，各荷載組合下鋼梁包絡拉力為1318kN，彎矩463kN·m，鋼梁截面為H600x300x12x18，材質為Q355B，按拉彎構件復核鋼梁的承載力得到的鋼梁應力比0.48[1]。斜柱下層地下室頂板混凝土梁受拉處各荷載組合下包絡拉力為838kN，梁彎矩523kN·m；構件受壓處各荷載組合下包絡壓力為1330kN，梁彎矩2132kN·m，梁截面為400x900，材質為C35，按拉彎、壓彎構件復核梁的承載力滿足安全要求[2]。

3 斜柱節點有限元分析

斜柱節點關鍵區域的受力性能研究采用有限元分析方法，節點模型中梁、柱構件均采用實體單元模擬，大震作用組合下斜柱節點變形及應力計算分析結果如圖4～7所示：

圖4 X向地震組合節點變形

圖5 Y向地震組合節點變形

圖6 X向地震組合節點應力

圖7 Y向地震組合節點應力

由上述計算結果可知，節點在大震作用下的應力基本小于Q355鋼材的屈服強度，考慮節點支座部位出現的應力集中與實際受力存在一定差異，忽略這一差異的影響，說明該節點在大震作用下鋼材未達到屈服強度，滿足大震作用下關鍵構件抗彎抗剪不屈服的性能目標。與斜柱相連的Y向的框架梁根部存在mises應力超過屈服強度的情況，但依然能夠滿足性能水準3規定的“不超過材料最小極限強度”的要求。

4 斜柱相連樓板應力分析

由于斜柱的存在，斜柱層及相鄰上下層樓板將承擔斜柱產生的一部分水平力，樓板受力較為復雜。地下室頂板厚度為250mm，1-2層樓板厚度為120mm，混凝土強度等級采用C35（fc=16.7Mpa，ft=1.57MPa），鋼筋采用HRB400。樓板單元采用膜單元計算分析斜柱相關層樓板平面正應力分布如下：

圖8 第1層樓板平面正應力Sx

圖9 第1層樓板平面正應力Sy

圖10 第2層樓板平面正應力Sx

圖11 第2層樓板平面正應力Sy

由圖可知，斜柱相鄰下層樓板（1 層）存在較大的X向拉、壓應力，應力峰值出現在各柱邊，KZ1 附近最大拉壓應力分別為1.4Pa、-1.1MPa，KZ2 附近最大拉壓應力分別為1.3MPa、-1.4MPa，應力值向著斜柱外側逐漸減小，在進行樓板配筋計算時應予以考慮；斜柱相鄰上層樓板（2 層）存在較大的X向拉應力，拉應力峰值出現在各柱邊，分別為6.2MPa（KZ1 附近）、6.4MPa（KZ2附近），應力值向著斜柱外側逐漸減小；最大拉應力大于混凝土抗拉強度標準值1.57MPa，該層樓板應采用1370mm2/m的加強鋼筋。

5 斜柱結構加強措施

本文以工程中鋼框架斜柱結構為例，研究了斜柱節點受力特點及其對相連結構構件、樓板受力性能的影響[3]。通過分析，該工程中斜柱范圍內框架梁柱及樓板均能滿足結構安全要求，為進一步滿足性能目標設計要求，斜柱層加強措施如下：①加強與斜柱上下層相連的梁截面，按拉彎、壓彎構件復核梁承載力。②斜柱節點區域通過增加斜柱壁厚可有效減小節點應力水平，為大震作用下的性能目標儲備一定的安全度。③提高斜柱上下層樓板板厚配筋，采用板底順肋方向附加底筋，板頂雙向拉通配筋，同時提高斜柱附近受拉方向樓板配筋率。