陳國春

(中元(廈門)工程設計研究院有限公司 福建廈門 361000)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的持續(xù)蓬勃發(fā)展，高層金融辦公建筑作為建設單位實力與形象的外在體現(xiàn)，往往除滿足其金融辦公以及對外運營等諸多要求外，業(yè)主對于建筑的立面和平面提出了更高的美學和使用要求。

筒中筒結(jié)構(gòu)體系，由于其具有較強的側(cè)向剛度，成為高層、超高層建筑的主要結(jié)構(gòu)體系之一，但往往因外框柱柱距較小而受到限制。本文以廈門某超高層金融廣場為例，通過底部設置Y型轉(zhuǎn)換柱，解決了上述問題，并系統(tǒng)地介紹了Y型柱的力學特點，對重點構(gòu)件提出設計建議和加強措施，供同類工程的分析設計提供參考。

1 工程概況

該金融廣場項目位于廈門市觀音山CBD中心，環(huán)島干道東側(cè)、規(guī)劃中的廈門金融大道上。由4棟辦公塔樓(T1～T4樓)及商業(yè)裙房組成，有兩層地下室和一層半地下室，總建筑面積40.9萬m2，地下建筑面積11.2萬m2。其中，T3樓共33層(含半地下室層5.4m)，一～三層層高5.4m，標準層層高4.2m，建筑總高度145m。

該工程結(jié)構(gòu)設計使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.15g，設計地震分組為第二組。場地土類別Ⅱ類，特征周期為0.45s(安評值)，塔樓抗震設防分類為丙類， 50年重現(xiàn)期的基本風壓值為0.80kPa，地面粗糙度為A類，風荷載體型系數(shù)取為1.4。地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端，塔樓與裙房通過設置防震縫結(jié)構(gòu)單元分開。

2 結(jié)構(gòu)選型與布置

2.1 結(jié)構(gòu)布置

該工程T3塔樓建筑布置為中部設樓電梯、管井及衛(wèi)生間，其外布置辦公空間，結(jié)構(gòu)利用中部樓電梯空間設置剪力墻核心筒，外布置框架柱。從圖1可見，建筑立面造型為豎線條，采取建筑外輪廓布置密柱、裙梁形成筒中筒結(jié)構(gòu)形式可行，結(jié)構(gòu)布置如圖2所示。

圖1 廣場效果圖

圖2 標準層結(jié)構(gòu)布置圖(單位：mm)

2.2 結(jié)構(gòu)截面尺寸與計算結(jié)果

結(jié)構(gòu)截面尺寸核心筒外圍墻厚為400mm～700mm，內(nèi)部墻厚為250mm～350mm；外框架柱半地下室1300×900mm，1～8層900×900mm，9層以上為800×800mm縮小到800×600mm；外框梁底部500×1000mm、上部500×900mm，混凝土強度等級為C60～C30。采用高層建筑結(jié)構(gòu)分析軟件SATWE的計算，計算結(jié)果如圖3及表1～表2所示。

表1 框架柱剪力比占樓層數(shù)比例表

圖3 框架柱剪力比曲線圖

從圖3及表1～表2的計算結(jié)果可知：筒中筒結(jié)構(gòu)的各項指標均符合相關(guān)規(guī)范要求，并且能夠形成外周框架與核心筒協(xié)同工作的雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)抗震的第二道防線合理，利于結(jié)構(gòu)抗震[1-3]。

表2 各方案水平荷載作用下主要計算結(jié)果

2.3 Y型柱的提出

筒中筒結(jié)構(gòu)的建筑外輪廓布置密柱，該工程立面效果采用豎線條與外框密柱的布置高度吻合，但底部大堂入口需要較大柱間距才能滿足建筑要求，通常采取方案有托柱轉(zhuǎn)換或一柱分叉轉(zhuǎn)換為兩柱的Y型柱形式。托柱轉(zhuǎn)換存在豎向構(gòu)件突變等不利因素，該工程底部采用一柱分叉轉(zhuǎn)換為兩柱隔一布置Y型柱的形式。

3 Y型柱受力特點

Y型柱節(jié)點處的兩根斜桿豎向向下的分力疊加傳給下層柱，兩根斜桿水平分力于節(jié)點處互相平衡抵消，其傳力路徑明確，該轉(zhuǎn)換形式以構(gòu)件受壓或受拉替代構(gòu)件受彎、受剪，以承受重力荷載的作用，受力方式更為合理。另外，斜柱轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換層與其上下層的剛度比變化幅度較小，因此在水平地震作用下，可以避免結(jié)構(gòu)的構(gòu)件內(nèi)力和層間剪力發(fā)生突變，有利于結(jié)構(gòu)抗震。

Y型斜柱頂部節(jié)點處柱軸力的水平分量由外框梁的軸向水平力平衡，斜柱頂部外框梁產(chǎn)生軸向水平拉力，對混凝土構(gòu)件十分不利，特別是該工程為超高層，且Y型柱位于大堂挑空區(qū)域，存在局部樓板不連續(xù)、局部穿層柱、斜柱，需進一步分析和計算。

4 Y型柱內(nèi)力分析與截面設計

4.1 Y型柱靜力分析

分析轉(zhuǎn)換斜柱在外框梁中產(chǎn)生的軸向水平拉力，采用桿系構(gòu)件簡化，于斜柱頂部分別作用一個單位集中力，利用靜力結(jié)構(gòu)力學計算，各主要桿件軸力如表3及圖4所示。

表3 各角度單元軸力表

圖4 Y型柱軸力圖

由表3及圖4可知，隨著Y型斜柱傾斜角度α的增大，斜柱及其頂部相連框梁的應力成遞增趨勢。其中，斜柱頂部框架梁軸力受斜柱傾斜角度影響尤為明顯，隨斜柱傾斜角度的增大，斜柱傳給中間框架梁的軸力比例也越大。故此，應控制斜柱的角度，避免斜柱的設置對構(gòu)件產(chǎn)生不利的影響。綜合考慮筒中筒結(jié)構(gòu)體系的布置特點和建筑立面的效果，本工程斜柱采用10°布置。

4.2 整體計算

采用SATWE軟件進行多遇地震下的整體計算，樓板設為彈性板，擇取Y型斜柱頂部梁內(nèi)力N3(圖4)中的各工況下的軸力標準值為：恒載作用1136kN、活載作用275kN、水平地震作用330kN、風荷載作用222kN。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》[2]，混凝土構(gòu)件的正截面軸心抗拉強度標準值：

Nt=ft·A

(1)

按照式(1)計算，混凝土標號C35框架梁500×1000的抗拉強度標準值Nt為1100kN，小于荷載作用效應，此時混凝土不足以承擔軸向拉力，且小于永久荷載作用值，在工程設計中應予以重視。

4.3 節(jié)點應力分析

采用細部分析通用有限元軟件Midas FEA V3.6對Y型柱進行細部實體分析，分別建立混凝土、型鋼及鋼筋3種部件，綜合考慮各材料部件的共同作用。模型中將Y型柱底設為固端，提取SATWE各桿件的內(nèi)力結(jié)果，按照1.0D±1.0L的不利組合，并將組合值分別施加于各截面處，材料、截面等均與PKPM模型一致。Y型柱及局部節(jié)點有限元計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 X向主應力圖

通過細部有限元分析結(jié)果可知，底層Y型斜柱中各橫梁均承受不同程度的拉應力。其中，Y型柱節(jié)點處承受了一定的拉應力，Y型斜柱頂部中間框架梁承受較大拉應力，最大拉應力約為28MPa，已超過框梁的混凝土的抗拉強度設計值。

4.4 Y型斜柱的屈曲分析

該建筑二層大堂局部挑空，底部Y型斜柱屬于穿層柱，高度為10.8m，在進行結(jié)構(gòu)計算分析時，針對Y型柱采用PMSAP軟件對結(jié)構(gòu)進行線性屈曲分析，前6階屈曲因子如表4所示。計算結(jié)果表明，Y型斜柱承載力有較大富余，其結(jié)構(gòu)安全可得到保證。

表4 結(jié)構(gòu)前6階屈曲因子

4.5 Y型柱的截面設計

通過對Y型柱的受力特點及內(nèi)力的計算和分析可見，Y型柱的節(jié)點、Y型斜柱頂部梁柱節(jié)點及Y型斜柱頂部中間框架梁均承受較大的拉應力，且Y型斜柱頂部中間框架梁承受的拉應力超過鋼筋混凝土強度的標準值。為避免斜柱頂部中間框架梁及梁柱節(jié)點的軸向拉力對構(gòu)件產(chǎn)生不利影響，該工程底部框架柱及其與Y型柱相交的外框架梁均采用型鋼混凝土，且軸向拉力均由型鋼承擔，以保證結(jié)構(gòu)內(nèi)力有效傳遞。

5 Y型柱設計的構(gòu)造措施

該工程Y型柱位于底部大堂挑空區(qū)域，Y型柱高度內(nèi)存在局部樓板不連續(xù)、局部穿層柱、斜柱等結(jié)構(gòu)不規(guī)則項，為保證結(jié)構(gòu)安全，該工程在底部Y型柱設計時采取了以下加強措施：

(1)底部Y型柱區(qū)域及其上一層共4層高度21.2m設為底部加強區(qū)，同時，底部框架柱及其與Y型柱相交的外框架梁均采用型鋼混凝土。

(2)Y型柱與穿層柱的正截面承載能力和斜截面承載力均按中震彈性復核，塔樓底部加強區(qū)其余豎向構(gòu)件的正截面承載能力按中震不屈服復核，斜截面承載力按中震彈性復核。

(3)為保證底層框架柱的延性，嚴格控制框柱的軸壓比不高于0.5，控制框架柱截面的剪應力水平。

(4)開大洞的二層樓板均設為全層彈性板，板厚為150mm，采用雙層雙向配筋。

6 結(jié)論

(1)筒中筒底部柱采用Y型柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)合理可靠，設計應注意斜柱傾斜角度的控制，計算時Y型柱轉(zhuǎn)換區(qū)域的樓層應設為彈性板。

(2)Y型柱的節(jié)點實際受力非常復雜，其局部應力較大，工程設計中應給予重視。

(3)Y型斜柱頂部梁柱節(jié)點及Y型斜柱頂部中間框架梁均承受較大的拉應力，設計應復核Y型斜柱頂部中間框架梁承受的拉應力是否大于鋼筋混凝土梁的應力標準值，并采取可靠措施確保結(jié)構(gòu)的安全。

[1] JGJ 3-2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2] GB50011-2010 混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[3] GB50011-2010 建筑抗震設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.