廈門某超高層筒中筒結構底部Y型柱設計

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

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

筒中筒結構體系，由于其具有較強的側向剛度，成為高層、超高層建筑的主要結構體系之一，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型轉換柱，解決了上述問題，并系統地介紹了Y型柱的力學特點，對重點構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，環島干道東側、規劃中的廈門金融大道上。由4棟辦公塔樓(T1～T4樓)及商業裙房組成，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。

該工程結構設計使用年限為50年，建筑結構安全等級為二級，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，風荷載體型系數取為1.4。地下室頂板作為上部結構的嵌固端，塔樓與裙房通過設置防震縫結構單元分開。

2 結構選型與布置

2.1 結構布置

該工程T3塔樓建筑布置為中部設樓電梯、管井及衛生間，其外布置辦公空間，結構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、裙梁形成筒中筒結構形式可行，結構布置如圖2所示。

圖1 廣場效果圖

圖2 標準層結構布置圖(單位：mm)

2.2 結構截面尺寸與計算結果

結構截面尺寸核心筒外圍墻厚為400mm～700mm，內部墻厚為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。采用高層建筑結構分析軟件SATWE的計算，計算結果如圖3及表1～表2所示。

表1 框架柱剪力比占樓層數比例表

圖3 框架柱剪力比曲線圖

從圖3及表1～表2的計算結果可知：筒中筒結構的各項指標均符合相關規范要求，并且能夠形成外周框架與核心筒協同工作的雙重抗側力結構體系，結構抗震的第二道防線合理，利于結構抗震[1-3]。

表2 各方案水平荷載作用下主要計算結果

2.3 Y型柱的提出

筒中筒結構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換或一柱分叉轉換為兩柱的Y型柱形式。托柱轉換存在豎向構件突變等不利因素，該工程底部采用一柱分叉轉換為兩柱隔一布置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點處互相平衡抵消，其傳力路徑明確，該轉換形式以構件受壓或受拉替代構件受彎、受剪，以承受重力荷載的作用，受力方式更為合理。另外，斜柱轉換的轉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，可以避免結構的構件內力和層間剪力發生突變，有利于結構抗震。

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

4 Y型柱內力分析與截面設計

4.1 Y型柱靜力分析

分析轉換斜柱在外框梁中產生的軸向水平拉力，采用桿系構件簡化，于斜柱頂部分別作用一個單位集中力，利用靜力結構力學計算，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件產生不利的影響。綜合考慮筒中筒結構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《混凝土結構設計規范》[2]，混凝土構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各桿件的內力結果，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型柱及局部節點有限元計算結果如圖5所示。

圖5 X向主應力圖

通過細部有限元分析結果可知，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，在進行結構計算分析時，針對Y型柱采用PMSAP軟件對結構進行線性屈曲分析，前6階屈曲因子如表4所示。計算結果表明，Y型斜柱承載力有較大富余，其結構安全可得到保證。

表4 結構前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力的計算和分析可見，Y型柱的節點、Y型斜柱頂部梁柱節點及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點的軸向拉力對構件產生不利影響，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，以保證結構內力有效傳遞。

5 Y型柱設計的構造措施

該工程Y型柱位于底部大堂挑空區域，Y型柱高度內存在局部樓板不連續、局部穿層柱、斜柱等結構不規則項，為保證結構安全，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型柱區域及其上一層共4層高度21.2m設為底部加強區，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，塔樓底部加強區其余豎向構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 結論

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

(2)Y型柱的節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構的安全。

[1] JGJ 3-2010 高層建筑混凝土結構技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[2] GB50011-2010 混凝土結構設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[3] GB50011-2010 建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.