某框架-核心筒结构斜柱设计

某框架-核心筒结构斜柱设计

钱志超

   北京市建筑设计研究院有限公司广州分公司   510630

摘要：以某一带外框斜柱的框架-核心筒结构为研究对象，采用YJK软件分析斜柱的传力机制及其对主体结构的影响。研究表明：对于外倾斜柱的起始层与终止层，与斜柱相连的梁板分别受压和受拉；对于内倾斜柱则结果相反。因此，在结构设计时应对相关部位重点分析，并加强构造措施；此外，楼板可作为承担水平力的二道防线并增加板厚与配筋，以确保斜柱产生的水平分力得到有效传递。

关键词：框架-核心筒；斜柱；结构设计

引言：斜柱结构在现代建筑中得到愈加广泛的应用。该结构形式可使结构设计与建筑体型达到最自然的结合，从而满足建筑立面收进或外扩的造型需要，同时有着使抗侧力结构的抗弯力臂达到最大，以及避免复杂的水平转换等优点。但是，相较于直柱，斜柱传力更为复杂，其存在会对周边梁板及剪力墙受力带来一定的影响；同时，作为建筑中的关键构件，其失效可能会造成结构的连续破坏，因此，应对其进行重点分析，以确保建筑整体安全。然而，现行规范对于斜柱的计算和要求暂无明确规定。为此，不少专家学者与结构工程师对斜柱结构提出了针对性的设计方法与相关建议。钱国桢等[1]与中建西南院[2]分别在其出版的著作中给出斜柱结构设计中的注意事项。谢移爱等[3]以广东商学院图书馆工程为背景，分析了倾斜结构的楼板应力。余中平等[4]对比分析斜柱方案和转换方案对结构整体指标的影响，同时分析斜柱对结构梁板和核心筒的影响。江韩等[5]通过理论分析及模型对比，研究了某框架-核心筒超高层项目中斜柱的传力机制及对主体结构的影响。本文结合某外框架柱倾斜的框架-核心筒的高层工程项目，重点分析框架斜柱的传力路径，对周边相连梁板的影响，以及需注意的设计事项，为类似建筑的设计提供参考。

一、工程概况

项目包括博物馆裙楼及文化总部办公塔楼，可建设用地面积14009㎡，建筑面积约87000㎡。建筑总高度约98m，其中博物馆地上5层，总部中心地上19层，地下室2层。本工程±0.000相当于绝对标高8.500m。

项目设计设计基准期50年，裙楼（博物馆）设计使用年限为100年，塔楼设计使用年限为50年，结构安全等级为一级。其中裙房为大中型博物馆建筑，其抗震设防为重点设防类；塔楼为高层办公楼，使用人数少于8000人，其抗震设防为标准设防类。地区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g（第一组），场地土类别为Ⅱ类。

为满足建筑外立面造型需要，裙楼及塔楼部分楼层需分别实现竖向整体外倾和内倾，在结构设计上相关区域外框柱采用斜柱，此外，为满足学术报告厅建筑使用功能要求，在七层至九层间通过布置斜撑实现抽柱转换，结构三维布置（如图1所示），其中在首层、四层、六层、七层、九层与十六层出现了结构柱的转折。

二、斜柱的简化分析

斜柱在竖向荷载下会产生水平力，各区域斜柱的简化二维分析理论模型（如图2所示），其中斜柱可产生水平压力或水平拉力，该水平分力除一部分由斜柱本身抗剪承受外，相当一部分会通过水平构件传递至内部竖向构件形成自平衡受力体系，导致与其相连的水平梁板往往会产生附加的拉（压）力。此外，（如图3所示）考虑到图中角部斜柱距离核心筒墙体较远，其产生的水平力不能有效地传递至核心筒，故在该斜柱周边区域设置剪力墙以抵抗上述水平力。为保证斜柱楼盖结构的安全性，下面章节将对斜柱相关区域进行水平力校核。

三、结构梁分析验算

考虑到地震作用下楼板失效的不利情况，竖向荷载下产生的附加水平力需要由外框斜柱抗剪以及与其相连的内跨水平梁传递到内部竖向构件共同承担，其中混凝土梁是传力体系的关键一环，因此需要对其进行水平力校核。

该分析采用YJK软件计算，将斜柱转折层范围楼板厚度改为0mm厚，并将楼板自重加至附加恒载中，且把楼板设置为弹性膜单元，以考虑斜柱产生的水平分力在地震作用下楼板失效时全由水平梁承担，楼板仅作为安全储备时与斜柱相连的结构梁产生的内力大小。

图4～图9分别给出首层、四层、六层与七层的结构梁在“(1.3D+1.5L)×1.1”荷载作用下的轴力图和其相应楼层受拉/受压构件的统计情况。如图所示，对于外倾斜柱起始层（首层），与斜柱相连的框架梁均表现为受压；对于外倾斜柱终止层（四层），与斜柱倾斜方向一致的框梁均表现为受拉，如4-KLA，与之垂直的框梁则出现受压的情况，如4-KLD。对于内倾斜柱起始层（六层），与斜柱倾斜方向一致的框梁均表现为受拉；对于内倾斜柱终止层（十六层），梁则表现为受压，如16-KLA。对于斜柱转换相关楼层（七至九层），斜撑内部框梁表现为受拉，如7-KLA，斜撑外部框梁则出现受压的情况，如7-KLB。

表1给出上述楼层中典型混凝土梁的水平力校核计算过程。由表中数据可知，在“(1.3D+1.5L)×1.1”荷载作用下，对于受压框梁，7-KLB受到最大的压力，其压应力值达到3.306Mpa，不过该值小于混凝土抗压强度设计值，故考虑梁中混凝土承受该压力可保证构件安全。对于受拉框梁，七层框梁出现最大的拉应力，其中7-KLC最大,达到15.065Mpa，远超混凝土抗拉强度设计值，故考虑增设型钢以抵抗斜柱产生的水平拉力；此外，作为内倾斜柱起始层的六层，大部分框梁均受到大于混凝土抗拉强度设计值的拉应力，如6-KLC的拉应力的3.948 Mpa，为解决上述问题，在部分梁中添加型钢，并在图8左下角处增加剪力墙以抵抗斜柱产生的水平拉力；而其余楼层大部分框梁的拉应力值则小于混凝土抗拉强度设计值，考虑梁中腰筋来承担该上述水平力。综上所述，在施工图阶段优先按梁中钢筋承担所有轴拉力设置，并适当提高梁纵筋及两侧腰筋配筋率，在必要情况下则辅以一定措施，如在梁中设置型钢以抵抗轴向拉力。

四、楼板分析验算

为验证楼板是否能够满足承载能力极限状态的要求，同时保证在地震作用下楼板有效地传递水平荷载和有效协调所连接结构构件的变形，对各层楼板的应力状态进行详细的有限元分析，并针对薄弱部位的楼板进行构造加强，从而保证楼板不会出现较大的裂缝而导致较为严重的刚度退化，得以实现楼板的抗震性能目标。

现作代表性地选取外倾斜柱终止层（四层），内倾斜柱起始层（六层）作为分析对象，将上述楼层楼板义为弹性膜，对楼板进行应力分析。图10～图11分别给出上述楼层楼板分别在恒+活工况的应力分布图。从分析结果可知，与斜柱相连周围楼板大部分区域应力不大，基本在1MPa以下，在斜柱处有出现一定的应力集中现象，其他较大的应力集中现象主要出现在大悬挑端部及核心筒剪力墙或大开洞周围。针对上述问题，对上述部分承担着较大面内应力的楼板进行加强，板厚加厚至150mm，双层双向通长配筋，每层每向配筋率不小于0.30%，并在拉应力集中处采取局部加强防裂配筋措施。

五、结论

本文结合某框架-核心筒工程项目，研究了框架斜柱的传力路径，对周边相连梁板的影响，以及需注意的设计事项。本文的分析结果表明:

斜柱产生的水平压力或水平拉力，一部分由斜柱自身抗剪承受，还有相当一部分会通过水平构件传递至内部竖向构件形成自平衡受力体系，导致与其相连的水平梁板产生附加的拉（压）力。

对于外倾斜柱起始层，与斜柱相连的梁板表现为受压；对于外倾斜柱终止层，与斜柱倾斜方向一致的梁板表现为受拉，与之垂直的梁板则出现受压的情况。对于内倾斜柱起始层，与斜柱倾斜方向一致的梁板表现为受拉；对于内倾斜柱终止层，梁板则表现为受压。

因此，在结构设计时应对相关部位重点分析，并加强构造措施，如通过框梁增加腰筋或内置型钢等方式对结构进行加强，此外，楼板可作为承担水平力的二道防线，同时，相关部位楼板应增加板厚与配筋，以确保斜柱产生的水平分力得到有效传递。

参考文献：

[1]钱国桢，孙宗光，倪一清.超限高层建筑抗震设计应用技术[M].中国建筑工业出版社，2015.

[2]川2020G145-TY：四川省超限高层建筑抗震设计图示.

[3]谢移爱，徐其功，郑美如.倾斜结构的大开洞楼板应力分析[J].工业建筑，2014（S1）：4.

[4]余中平，王锦文，张梅松，等.斜柱对框架-核心筒结构的影响[J].建筑结构, 2020，50（16）：5.

[5]江韩，赵学斐，刘金龙，等.框架-核心筒超高层结构中框架斜柱的受力分析与相关设计[J].建筑结构，2022（005）：052.