劉 順 胡 亮 何守民

(深圳市建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司合肥分院，安徽 合肥 230000)

0 引言

隨著現(xiàn)代城市化的不斷發(fā)展，建筑的造型也趨向更加多元化、復(fù)雜化。高層建筑的立面造型不僅需要符合城市的周邊環(huán)境，建筑的造型與城市的規(guī)劃定位和相鄰的建筑造型也要相匹配。帶有斜柱的建筑能較好的實(shí)現(xiàn)建筑獨(dú)特的立面效果要求，在國內(nèi)外的著名建筑中屢有出現(xiàn)，但此類結(jié)構(gòu)與普通垂直豎向構(gòu)件的受力相比，結(jié)構(gòu)傳力途徑更加復(fù)雜，且相關(guān)規(guī)范對此類結(jié)構(gòu)未給出明確的設(shè)計(jì)方法和加強(qiáng)措施，鑒于以上問題，文章以某框架—核心筒高層建筑斜柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)為例，從多方面介紹此類結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中需要特別注意的關(guān)鍵點(diǎn)。

1 工程概況

本工程地上21層，地下1層，其中地下1層層高為5.1 m，首層層高5.4 m，5層層高5.1 m，其余層均為4.2 m，結(jié)構(gòu)主體地上高度90.3 m，本工程采用的結(jié)構(gòu)形式為框架—核心筒結(jié)構(gòu)。

本工程所在地位于合肥市，主要設(shè)計(jì)基本數(shù)據(jù)詳見表1。

表1 基本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

本工程建筑功能為科研辦公樓，由于2層?xùn)|側(cè)為入口大廳(見圖1)，存在兩層通高布置，結(jié)構(gòu)存在樓板大開洞形成的躍層柱；建筑立面四周外圍護(hù)均為玻璃幕墻，其中西北角幕墻在局部樓層為扭曲向上造型(見圖2)，導(dǎo)致西北角角柱需要根據(jù)外立面幕墻造型變化沿著X向以斜柱形式存在，具體傾斜樓層范圍為6層～14層向主樓內(nèi)側(cè)傾斜(傾斜角度7.97°)，14層～20層朝向遠(yuǎn)離主樓方向傾斜(傾斜角度10.58°)，其余樓層為垂直柱(見圖3)。

綜上所述，本工程主要存在的不規(guī)則項(xiàng)為樓板局部不連續(xù)以及角部斜柱，并且實(shí)際結(jié)構(gòu)計(jì)算過程中未出現(xiàn)其余不規(guī)則項(xiàng)。針對樓板大開洞，常規(guī)加強(qiáng)措施主要為加強(qiáng)洞口周邊的板厚及梁板配筋等處理措施，文章主要針對斜柱設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2 斜柱設(shè)計(jì)

2.1 斜柱對整體結(jié)構(gòu)指標(biāo)的影響

為分析角部斜柱對本工程單體整體指標(biāo)的影響，本工程采用YJK軟件對斜柱模型A和按正常垂直角柱建模的模型B進(jìn)行指標(biāo)統(tǒng)計(jì)比較。模型A和B的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)詳見表2，從表2可以看出，主要指標(biāo)中X向、Y向的周期、樓層最大位移角以及樓層受剪承載力的比值基本一致，說明本工程斜柱由于傾斜角度不大，且傾斜柱的根數(shù)僅一根，斜柱的豎向斜撐的作用不強(qiáng)，對整棟樓的結(jié)構(gòu)剛度影響不明顯。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)針對斜柱本身進(jìn)行加強(qiáng)處理，并對于斜柱相連的結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行加強(qiáng)。

表2 模型A與模型B主要計(jì)算指標(biāo)比較

2.2 斜柱與普通垂直柱內(nèi)力的變化

本工程斜柱作為角部重要傳力豎向構(gòu)件，斜柱對豎向荷載的傳遞需要謹(jǐn)慎對待。因此，分別選取斜柱下段向內(nèi)傾斜段樓層、斜柱上段向外傾斜段樓層以及斜柱傾角變換處樓層與模型B比較相同樓層斜柱與按垂直柱建模情況下的軸力變化，選取標(biāo)準(zhǔn)組合“恒+活”工況進(jìn)行相同樓層柱底軸力對比。

根據(jù)以上原則，選取樓層分別為第9層、14層(角度變化樓層)、17層柱底軸力進(jìn)行對比，具體詳見表3，根據(jù)表3中相應(yīng)樓層柱底軸力的對比可以發(fā)現(xiàn)，模型A斜柱和模型B垂直柱建模的柱底軸力相差不大，模型A的相應(yīng)樓層斜柱柱底軸力相比模型B柱底軸力略大，主要原因是模型A由于斜柱布置原因，相應(yīng)跨次梁布置與模型B略有差別，柱受荷面積與模型B相應(yīng)柱的受荷面積略有差別，通過相應(yīng)樓層柱底軸力的對比，可以說明由于本工程斜柱傾斜角度較小，柱豎向軸力相對垂直柱模型變化不大。

表3 恒+活工況下模型A,B柱軸力對比 kN

3 針對斜柱的加強(qiáng)措施

根據(jù)以上分析，本工程斜柱角度較小，對整體的結(jié)構(gòu)指標(biāo)和豎向軸力的影響不大，但是考慮到本工程為高層建筑，斜柱位于結(jié)構(gòu)較為重要的角部位置，應(yīng)對斜柱采取一定的計(jì)算和構(gòu)造加強(qiáng)措施?；谝陨锨闆r，本工程主要針對斜柱采取時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震下補(bǔ)充計(jì)算、針對斜柱進(jìn)行抗震性能化設(shè)計(jì)以及針對關(guān)鍵樓層節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加強(qiáng)處理。

3.1 彈性時(shí)程分析補(bǔ)充驗(yàn)算

依據(jù)規(guī)范[1]的相關(guān)規(guī)定，運(yùn)用YJK軟件彈性時(shí)程分析模塊對本工程進(jìn)行多遇地震下的時(shí)程分析補(bǔ)充計(jì)算。按地震選波三要素頻譜特性、加速度有效峰值以及持續(xù)時(shí)間，選用3條地震波：其中1條人工地震波ArtWave-RH4TG035；兩條按工程場地類別和設(shè)計(jì)地震分組選用的實(shí)際地震波Livermore-01_NO_216和Chi-Chi，Taiwan-06_NO_3283。結(jié)構(gòu)在地震波作用下的樓層剪力曲線如圖4，圖5所示。

根據(jù)計(jì)算每條波時(shí)程曲線計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力不小于反應(yīng)譜法結(jié)果的65%，且3條地震波下的時(shí)程曲線計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不小于振型分解反應(yīng)譜法結(jié)果的80%。根據(jù)X向，Y向最大樓層剪力曲線可知，在15層以下，X向，Y方向時(shí)程反應(yīng)曲線所得的剪力值均小于振型分解反應(yīng)譜曲線下對應(yīng)的樓層剪力，頂部樓層的剪力值超出振型分解反應(yīng)譜所得的樓層剪力，考慮此部分樓層地震剪力一般較小，且經(jīng)過實(shí)際計(jì)算發(fā)現(xiàn)，頂部樓層的墻柱配筋一般較小且均為構(gòu)造值。分析表明，本工程反應(yīng)譜分析所得的層剪力在多遇地震(彈性階段)對結(jié)構(gòu)計(jì)算起主要控制作用。

依據(jù)以上分析結(jié)果，且綜合考慮斜柱位置的重要性，本工程對15層及以下樓層均采取對振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算所得的地震作用放大1.1倍，其余上部樓層均按實(shí)際時(shí)程分析法所得的放大系數(shù)對多遇地震下地震作用進(jìn)行放大。

3.2 性能化設(shè)計(jì)

本工程斜柱傾斜段的樓層占總樓層比重較大，斜柱所處的結(jié)構(gòu)位置較為重要，本工程采取對斜柱及與其相連的傾斜方向的框架梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)。依據(jù)規(guī)范[2]的相關(guān)規(guī)定，按照規(guī)范基于結(jié)構(gòu)抗震性能的設(shè)計(jì)方法，首先需要確定結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)，結(jié)合本工程抗震設(shè)防類別、結(jié)構(gòu)的重要性、設(shè)防烈度及場地條件等，按規(guī)范[2]第3.11.1節(jié)確定采用性能目標(biāo)C。根據(jù)設(shè)定的性能目標(biāo)，確定主要關(guān)鍵構(gòu)件性能化設(shè)計(jì)參數(shù)及指標(biāo)，如表4所示。

表4 主要關(guān)鍵構(gòu)件性能化設(shè)計(jì)參數(shù)及指標(biāo)

通過對斜柱的抗震性能化設(shè)計(jì)，提高了構(gòu)件截面的承載能力安全度、延性變形能力，并且依據(jù)性能目標(biāo)的設(shè)置，確保了關(guān)鍵構(gòu)件斜柱的強(qiáng)剪弱彎，使其有一定的安全儲備。

3.3 斜柱特殊樓層節(jié)點(diǎn)的加強(qiáng)措施

本工程斜柱的傾斜方式為先內(nèi)收后外擴(kuò)，不易在下部樓層處產(chǎn)生水平拉力，相對于先外擴(kuò)后內(nèi)收的斜柱形式更為有利。但是，由于下層柱柱頂和上層柱柱底柱軸力存在一定差別，需要對樓層處節(jié)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的分析設(shè)計(jì)。因此，分別取斜柱下段第9層(內(nèi)收段)、斜柱上段第17層(外擴(kuò)段)以及斜柱傾斜方向變化樓層第14層的梁柱節(jié)點(diǎn)在目標(biāo)內(nèi)力Nmax(如表5所示)下的受力進(jìn)行受力分析。

表5 斜柱目標(biāo)組合Nmax下的樓層上下柱端軸力

結(jié)合本工程斜柱在第9層/14層/17層的節(jié)點(diǎn)受力形式(如圖6所示)，可知各樓層柱自身軸力產(chǎn)生的水平分力分別為：第9層為(15 673.7-14 802.2)×cos82.03°=120.84 kN；第14層為11 367.1×cos82.03°+10 715.8×cos79.42°=3 543.61 kN；第17層為(8 170.8-(6 981.6)×cos79.42°=218.35 kN。根據(jù)圖6各樓層柱自身軸力分別在斜柱內(nèi)收樓層第9層和傾斜方向轉(zhuǎn)換層第14層產(chǎn)生對相應(yīng)層結(jié)構(gòu)向內(nèi)的壓力，在斜柱外擴(kuò)樓層第17層對該層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向外的拉力，且經(jīng)過計(jì)算可知，下部內(nèi)收段和上部外擴(kuò)段產(chǎn)生的水平分力均較小，對相應(yīng)樓層產(chǎn)生的影響較小，而斜柱傾斜方向轉(zhuǎn)變樓層第14層，斜柱對相應(yīng)樓層產(chǎn)生的水平分力較大，應(yīng)該予以重視。

結(jié)合以上分析及本工程自身特點(diǎn)，需要對相應(yīng)的樓層采取必要的加強(qiáng)措施。其中，對于下部內(nèi)收段和上部外擴(kuò)段考慮樓層處柱內(nèi)力變化對相應(yīng)樓層產(chǎn)生的影響較小，采取對斜柱所在跨梁板配筋加強(qiáng)的措施予以加強(qiáng)，并且在第6層斜柱傾斜起始端和第20層斜柱傾斜末端對斜柱和與其相連的傾斜方向框架梁采用型鋼混凝土梁柱進(jìn)行加強(qiáng)，且考慮斜柱對與其相連的X方向框架梁具有一定的壓(拉)作用，本工程，對與斜柱相連的X方向各樓層框架梁配筋設(shè)計(jì)時(shí)均按照滿足規(guī)范對壓(拉)彎構(gòu)件縱筋最小配筋率的要求配置縱向鋼筋，且采取加大抗扭鋼筋直徑、箍筋加密的措施進(jìn)行加強(qiáng)。另外，對于第14層，考慮斜柱對該層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相對較大的水平壓力，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，除采取以上措施外，對該層與斜柱所在跨采取加大樓板厚度的措施進(jìn)行加強(qiáng)，該跨樓板厚度均按150 mm，配筋雙層雙向拉通設(shè)置，該跨樓板實(shí)際配筋率達(dá)到0.35%，以此減小樓板應(yīng)力。

4 結(jié)語

斜柱的合理運(yùn)用能夠解決各種類型的高層建筑對于立面效果的追求，但是需要針對相應(yīng)的斜柱類型對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。結(jié)合實(shí)際工程，文章主要介紹了先內(nèi)收后外擴(kuò)斜柱在設(shè)計(jì)過程中需要注意的事項(xiàng)和相關(guān)的加強(qiáng)措施。斜柱結(jié)構(gòu)的受力主要取決于斜柱的傾斜位置、方向及角度大小，需要特別注意斜柱對整體結(jié)構(gòu)指標(biāo)的影響，尤其是結(jié)構(gòu)剛度、周期和位移的影響，另外對于斜柱對樓層產(chǎn)生的水平方向分力也應(yīng)該引起特別注意，不僅對斜柱本身采取加強(qiáng)措施，還應(yīng)對受其影響較大的梁板構(gòu)件采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施。