某框架—核心筒高層辦公建筑斜柱結構設計

劉 順 胡 亮 何守民

(深圳市建筑設計研究總院有限公司合肥分院，安徽 合肥 230000)

0 引言

隨著現代城市化的不斷發展，建筑的造型也趨向更加多元化、復雜化。高層建筑的立面造型不僅需要符合城市的周邊環境，建筑的造型與城市的規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現建筑獨特的立面效果要求，在國內外的著名建筑中屢有出現，但此類結構與普通垂直豎向構件的受力相比，結構傳力途徑更加復雜，且相關規范對此類結構未給出明確的設計方法和加強措施，鑒于以上問題，文章以某框架—核心筒高層建筑斜柱結構的設計為例，從多方面介紹此類結構在設計中需要特別注意的關鍵點。

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，結構主體地上高度90.3 m，本工程采用的結構形式為框架—核心筒結構。

本工程所在地位于合肥市，主要設計基本數據詳見表1。

表1 基本設計數據

本工程建筑功能為科研辦公樓，由于2層東側為入口大廳(見圖1)，存在兩層通高布置，結構存在樓板大開洞形成的躍層柱；建筑立面四周外圍護均為玻璃幕墻，其中西北角幕墻在局部樓層為扭曲向上造型(見圖2)，導致西北角角柱需要根據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層向主樓內側傾斜(傾斜角度7.97°)，14層～20層朝向遠離主樓方向傾斜(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則項為樓板局部不連續以及角部斜柱，并且實際結構計算過程中未出現其余不規則項。針對樓板大開洞，常規加強措施主要為加強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計進行詳細介紹。

2 斜柱設計

2.1 斜柱對整體結構指標的影響

為分析角部斜柱對本工程單體整體指標的影響，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進行指標統計比較。模型A和B的主要設計指標詳見表2，從表2可以看出，主要指標中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，且傾斜柱的根數僅一根，斜柱的豎向斜撐的作用不強，對整棟樓的結構剛度影響不明顯。結構設計時，應針對斜柱本身進行加強處理，并對于斜柱相連的結構構件進行加強。

表2 模型A與模型B主要計算指標比較

2.2 斜柱與普通垂直柱內力的變化

本工程斜柱作為角部重要傳力豎向構件，斜柱對豎向荷載的傳遞需要謹慎對待。因此，分別選取斜柱下段向內傾斜段樓層、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，選取標準組合“恒+活”工況進行相同樓層柱底軸力對比。

根據以上原則，選取樓層分別為第9層、14層(角度變化樓層)、17層柱底軸力進行對比，具體詳見表3，根據表3中相應樓層柱底軸力的對比可以發現，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，相應跨次梁布置與模型B略有差別，柱受荷面積與模型B相應柱的受荷面積略有差別，通過相應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 針對斜柱的加強措施

根據以上分析，本工程斜柱角度較小，對整體的結構指標和豎向軸力的影響不大，但是考慮到本工程為高層建筑，斜柱位于結構較為重要的角部位置，應對斜柱采取一定的計算和構造加強措施。基于以上情況，本工程主要針對斜柱采取時程分析法進行多遇地震下補充計算、針對斜柱進行抗震性能化設計以及針對關鍵樓層節點進行加強處理。

3.1 彈性時程分析補充驗算

依據規范[1]的相關規定，運用YJK軟件彈性時程分析模塊對本工程進行多遇地震下的時程分析補充計算。按地震選波三要素頻譜特性、加速度有效峰值以及持續時間，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計地震分組選用的實際地震波Livermore-01_NO_216和Chi-Chi，Taiwan-06_NO_3283。結構在地震波作用下的樓層剪力曲線如圖4，圖5所示。

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

依據以上分析結果，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譜法計算所得的地震作用放大1.1倍，其余上部樓層均按實際時程分析法所得的放大系數對多遇地震下地震作用進行放大。

3.2 性能化設計

本工程斜柱傾斜段的樓層占總樓層比重較大，斜柱所處的結構位置較為重要，本工程采取對斜柱及與其相連的傾斜方向的框架梁進行結構性能化設計。依據規范[2]的相關規定，按照規范基于結構抗震性能的設計方法，首先需要確定結構的抗震性能目標，結合本工程抗震設防類別、結構的重要性、設防烈度及場地條件等，按規范[2]第3.11.1節確定采用性能目標C。根據設定的性能目標，確定主要關鍵構件性能化設計參數及指標，如表4所示。

表4 主要關鍵構件性能化設計參數及指標

通過對斜柱的抗震性能化設計，提高了構件截面的承載能力安全度、延性變形能力，并且依據性能目標的設置，確保了關鍵構件斜柱的強剪弱彎，使其有一定的安全儲備。

3.3 斜柱特殊樓層節點的加強措施

本工程斜柱的傾斜方式為先內收后外擴，不易在下部樓層處產生水平拉力，相對于先外擴后內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，需要對樓層處節點進行詳細的分析設計。因此，分別取斜柱下段第9層(內收段)、斜柱上段第17層(外擴段)以及斜柱傾斜方向變化樓層第14層的梁柱節點在目標內力Nmax(如表5所示)下的受力進行受力分析。

表5 斜柱目標組合Nmax下的樓層上下柱端軸力

結合本工程斜柱在第9層/14層/17層的節點受力形式(如圖6所示)，可知各樓層柱自身軸力產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。根據圖6各樓層柱自身軸力分別在斜柱內收樓層第9層和傾斜方向轉換層第14層產生對相應層結構向內的壓力，在斜柱外擴樓層第17層對該層結構產生向外的拉力，且經過計算可知，下部內收段和上部外擴段產生的水平分力均較小，對相應樓層產生的影響較小，而斜柱傾斜方向轉變樓層第14層，斜柱對相應樓層產生的水平分力較大，應該予以重視。

結合以上分析及本工程自身特點，需要對相應的樓層采取必要的加強措施。其中，對于下部內收段和上部外擴段考慮樓層處柱內力變化對相應樓層產生的影響較小，采取對斜柱所在跨梁板配筋加強的措施予以加強，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行加強，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計時均按照滿足規范對壓(拉)彎構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、箍筋加密的措施進行加強。另外，對于第14層，考慮斜柱對該層結構產生相對較大的水平壓力，結構設計時，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行加強，該跨樓板厚度均按150 mm，配筋雙層雙向拉通設置，該跨樓板實際配筋率達到0.35%，以此減小樓板應力。

4 結語

斜柱的合理運用能夠解決各種類型的高層建筑對于立面效果的追求，但是需要針對相應的斜柱類型對結構進行加強。結合實際工程，文章主要介紹了先內收后外擴斜柱在設計過程中需要注意的事項和相關的加強措施。斜柱結構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構指標的影響，尤其是結構剛度、周期和位移的影響，另外對于斜柱對樓層產生的水平方向分力也應該引起特別注意，不僅對斜柱本身采取加強措施，還應對受其影響較大的梁板構件采取相應的加強措施。