珠海某超高層辦公建筑搭接柱結構設計與分析

張亞非

（廣州市住宅建筑設計院有限公司，廣東廣州 510000）

1 搭接柱概述

在實際工程中，建筑有時需要實現外立面的外擴或者收進，而這往往會導致框架—核心筒結構外圍框架柱存在上下不連續的情況。此時采用搭接柱轉換結構加以過渡，不僅可以充分利用本層的建筑空間，還可以發揮其造價低、自重輕、上下層剛度突變小等優點[1]。搭接柱上下層柱存在偏心，在豎向荷載作用下所產生彎矩會對搭接柱相連接的梁與樓板會產生一定的拉壓作用。因此，搭接柱上部樓蓋（搭接柱上部2 層）需承受較大的拉力，下部樓蓋需承受較大壓力，而搭接柱本身受力則較為復雜，容易形成結構的薄弱部位[2]。

本文將運用有限元軟件對搭接柱及其相關范圍進行分析，研究搭接柱相關范圍構件的受力和變形情況，以便指導設計，使結構具有足夠的承載能力和延性，提高結構的安全儲備。

2 工程概況

本工程位于珠海市十字門中央商務區橫琴片區離岸金融島東北角，建筑用地面積11752m2，總建筑面積為131197m2。本工程一號樓為高層辦公建筑，地下4 層，地上39 層，標準層層高4.9m，建筑高度192.1m，屬于超B 級高度的超限高層建筑。高寬比約為6.55，抗震設防烈度為Ⅶ度，結構形式為鋼筋混凝土框架-核心筒結構體系，其中核心筒為部分帶鋼骨的鋼筋混凝土剪力墻，框架柱為鋼筋混凝土柱及鋼骨混凝土柱。

根據建筑方案，塔樓九層以上柱網向外凸出，上、下柱中心水平錯位1000mm，使外框柱不能直通落地。為了滿足建筑對使用空間和立面的要求，同時保證結構的經濟合理性，本工程決定在塔樓7～8 層采用搭接柱轉換，結構平面及相關樓層示意見圖1。

3 搭接柱相關區域結構設計分析

3.1 整體模型計算及抗震分析

本工程根據超限情況、受力特點及其重要性，確定其抗震性能目標為C 級[3]。在小震和中震的計算中，采用YJK 軟件對本工程進行整體計算分析，搭接柱均沒有出現超筋和抗剪截面不足的情況，能夠滿足廣東省標準《高層建筑混凝土結構技術規程（DBJ 15-92—2013）》3.11.3 條規定的結構構件抗震承載力要求。

采用YJK-EP 軟件進行罕遇地震地震作用下動力彈塑性時程分析，結果顯示，搭接柱過渡段及其受拉梁作為關鍵構件，混凝土基本無損傷（混凝土損傷因子在0.2～0.3 之間），鋼筋的塑性應變損傷程度也在較小范圍（平均塑性應變程度小于0.1），根據損壞判斷標準，屬于無損壞～輕微損壞。搭接柱轉換層（建筑9層）的樓板損傷情況見圖2，樓板最大壓應變損傷為0.543，鋼筋塑性應變損傷程度為0.120，亦屬于輕微損壞。經以上計算分析，搭接柱可以滿足抗震性能目標為C 級的各項性能水準要求。

圖1 塔樓9 層結構布置平面圖及相關樓層示意（虛線范圍內為搭接柱）

3.2 搭接柱相關構件內力分析

3.2.1 與搭接柱相連的受拉梁內力分析

為了提高結構的安全儲備能力，同時適當的考慮樓板對拉梁的幫助，在搭接柱轉換處及其上一層，對受拉的框架梁按彈性樓板和不考慮樓板兩種模型進行分析計算，由計算結果可以看出：搭接柱轉換處（9F）對框架梁產生的附加拉力最大（考慮彈性板時約為1408kN，無樓板時約為3069kN）；樓板分擔了一部分受拉框架梁由搭接柱引起的附加拉力，分擔比例為50%左右。根據以上兩種情況的分析計算結果，對受拉梁采用二者的包絡配筋進行設計，以保證結構的安全可靠。

3.2.2 搭接柱相關樓層樓板應力分析及設計

為了研究搭接柱對相關區域樓板的影響，對搭接柱相關范圍的主要受拉層樓板（建筑9 層、10 層）進行各種組合工況下的樓板應力分析。結果顯示，樓板在主受力方向呈拉應力狀態。在最不利組合工況作用下，9 層樓板最大拉應力約為6Mpa，10 層樓板最大拉應力約為3MPa。考慮到受拉層的重要性，建筑9～10 層板厚均加厚至150mm，樓板配筋加強為雙層雙向D12@150。同時結合梁板受力特點，在建筑9 層受拉梁周邊樓板設置預應力鋼筋[4]。

圖2 9 層樓板壓應力損傷程度

3.3 搭接柱實體有限元分析（基于MIDAS-FEA）

3.3.1 三維模型相關參數

考慮到搭接柱轉換區域（9F）及其上一層樓蓋（10F）承受的水平推力較大，故以搭接柱相關區域7～10 層對應樓蓋局部梁板作為分析對象作為分析范圍（見圖3）。采用MIDAS-FEA 對受分析的結構區域建立三維實體有限元模型，并按實際配筋建入其主要的鋼筋單元。根據節點模型實際截取部位，從整體模型的計算結果中提取構件最不利工況下的內力。

模型中，鋼筋型號為HRB500，型鋼型號為Q345B，本構關系采用VonMises 模型。剪力墻、柱采用C60 混凝土，梁板結構采用C30 混凝土。按《CEB-FIP model code 1990》中的混凝土本構關系進行計算，并根據圓柱體和立方體抗壓強度的等級對應表進行換算。在模型中，鋼筋采用鋼筋單元模擬；混凝土和型鋼采用三維實體單元模擬。

3.3.2 有限元分析計算結果

由圖4 可知，在最不利組合工況作用下，混凝土壓應力最大值為30.92N/mm2，小于C60 混凝土強度標準值fc=38.5N/mm2；其余絕大區域混凝土壓應力均小于混凝土抗壓強度設計值，可認為節點滿足承載力要求。混凝土的最大壓應變為0.0009，小于混凝土的極限壓應變0.0033。

圖4 混凝土最大主壓應力

搭接柱相關范圍內鋼筋的應力分析結果顯示，鋼筋均處于彈性工作狀態。鋼筋應力絕大多數在-11～67MPa 之間，最大拉應力為134.7N/mm2，小于HRB500 鋼f=435N/mm2。節點區內型鋼的應力分析結果顯示，各型鋼均處于彈性工作狀態。由圖5 可知，型鋼的最大Von Mises 應力為115N/mm2，該位置位于該柱搭接部位的連接板（35mm）上，小于Q345 鋼f=265N/mm2。

圖5 型鋼Von Mises 應力

通過對節點的有限元分析，節點區域混凝土壓應力小于材料標準值，型鋼拉應力和鋼筋拉應力均小于材料屈服強度，節點核心區的型鋼與鋼筋基本處于彈性，混凝土也未被壓碎，節點滿足承載力要求，滿足抗震性能目標，節點區安全，具有足夠的承載力及剛度。

4 結論

由以上計算分析可知，在地震作用下，搭接柱相關構件不僅滿足小震彈性設計要求，也符合中震和大震作用下C 級抗震性能目標的各項性能水準要求。同時，根據有限元分析結果，搭接柱相關構件的應力和應變均在一個安全合理的范圍內，符合相關規范的要求。因此，只要在設計中對關鍵和重要構件進行有針對性的加強，就可以保證搭接柱相關構件具有足夠的承載力和延性儲備。

總而言之，搭接柱轉換作為一種設計合理且經濟有效的結構形式，傳力直接，安全可靠，既滿足了建筑使用空間的需求，又避免了結構抗側剛度突變導致的不利影響。雖然搭接柱受力較為復雜，但只要我們在設計時充分了解它的受力機制，掌握它的設計要點，就能在滿足經濟性的同時，保證結構的安全性，使搭接柱的設計更加規范合理。