某室內滑雪館斜柱結構分析與設計

徐晟翔

(江蘇省建工設計研究院有限公司，南京21000)

1 引言

隨著我國經濟水平的提高，城市現代化水平不斷發展，建筑技術水平也得到了巨大提升，常規豎直的外立面體型已經無法滿足建筑師對于現代城市建筑的設計需求，建筑物的外立面逐漸多元復雜化，斜柱在公共建筑中如體育建筑、展覽館、會展中心及超高層建筑中逐漸得到運用。直柱框架完全依靠柱剪力抵抗水平荷載，對于內傾或外斜的框架，斜柱傳力途徑復雜，而現有規范對斜柱結構的設計并沒有明確規定。鑒于以上情況，本文以本項目中斜柱設計為例，提出斜柱結構設計中需要注意的事項，并采取必要的加強措施。

2 工程概況

本工程位于南京市江北新區，建筑功能為雪館綜合體，地上建筑面積約1.056×105m2，地下建筑面積約6.23×104m2，項目設置1 層地下室，地面以上由商業和雪館綜合體組成。建筑采用戲雪區（E、F 區）、商業（1～3 區）與酒店（A～D 區）在空間上緊密結合，如圖1 所示，以圓形的戲雪區為核心，酒店+商業360°視覺圍繞，最大化挖掘雪景價值。

圖1 分區示意圖

外圍商業（1～3 區）結構單元為多層，建筑功能為商業，滑雪館綜合體（A～D 區）3 層以下為海洋館，與商業連為整體，消防疏散借用商業；4 層及以上為酒店客房，有獨立的消防疏散；利用客房頂部作為滑雪道，雪道面上為大跨度鋼結構屋面。

建筑外立面是下小上大的圓弧斜面，如圖2 所示，雪道的寬度是固定的39.65 m，斜柱頂端支撐滑雪道屋頂的外側鋼柱，鋼柱內力通過斜柱向下傳遞，共19 處?；┑罉烁唠S坡度由高降低，斜柱傾斜的角度由小到大，最大達到26.8°，最大懸挑8.4 m。考慮幕墻荷載后鋼柱傳來的軸力約3 700 kN，彎矩約2 400 kN·m，結構有天然向外傾倒的趨勢。

圖2 某室內滑雪館建筑效果圖

3 結構體系及布置

針對不規則的建筑平面和豎向，同時考慮到建設單位控制成本的需求，設計時通過設置抗震縫，并根據溫度應力分析的計算結果及結合建筑的外立面效果劃分結構單元。

其中，雪館綜合體（A～D 區）采用框架-剪力墻結構，頂層為空間鋼桁架結構。樓面采用普通現澆鋼筋混凝土梁板式樓蓋，斜柱周邊范圍的樓板除頂層雪道層為200 mm 厚外，其余樓層斜柱周邊范圍樓板均為150 mm 厚；與斜柱相連的框架梁截面為800 mm×1 050 mm、900 mm×1 350 mm；斜柱截面尺寸為1 200 mm×1 500 mm。現以斜柱普遍存在的A 區進行分析，如圖3 所示。

圖3 斜柱普遍存在的A區結構模型

4 斜柱結構設計

根據《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》（建質〔2015〕67 號文）[1]的有關規定，斜柱屬于67 號文表2 不規則項中的局部不規則，而本工程A 區存在扭轉不規則、偏心布置、凹凸不規則、尺寸突變、局部不規則（穿層柱、斜柱、夾層），具有3 項及以上不規則，屬于超限工程[2]。

根據超限報告及專家組專項審查意見：

1）支撐雪道屋蓋鋼柱的外弧斜柱采用型鋼混凝土柱；

2）不考慮樓板剛度貢獻，與斜柱相連的各層框架梁進行拉（壓）驗算，并驗算正常使用極限狀態下的裂縫寬度；

3）斜柱及相連框架梁、支承雪道頂的鋼柱按中震彈性設計；

4）斜柱層樓板補充豎向荷載下的應力分析。

4.1 與斜柱相連框架梁的設計

由于斜柱的存在，柱軸力會產生水平拉（壓）力，此部分水平力將由與斜柱相連的梁板共同承擔，為分析梁軸力的大小，計算時不考慮樓板的有利作用（樓板厚度設為0），完全由框架梁承擔水平力，對框架梁進行拉（壓）驗算。相連框架梁配筋按小震彈性、小震彈性（0 板厚模型）、中震彈性（0 板厚模型）[3]、正常使用極限狀態（0 板厚模型）[4]工況進行包絡設計[5]。

經計算分析，由于斜柱外傾，斜柱軸力產生的水平分力使相連的框架梁受拉。框架梁最大軸拉力出現在頂層雪道，軸拉力隨斜柱外傾的角度變大而增大，端榀X29 軸處斜柱角度最大，為21.19°，框架梁中震工況下軸拉力為2 727 kN，如圖4所示[6]；中間榀X19 軸處斜柱角度最小，為10.16°，框架梁中震工況下軸拉力為1 911 kN，各層框架梁彎矩、軸力統計如表1所示。

圖4 X29 軸結構剖面圖

由表1 數據可知，斜柱產生的水平分力能有效地被框架梁平衡，保證斜柱水平力的傳遞，框架梁因承受水平拉力，應按拉彎構件進行設計。2 層及頂層雪道的框架梁軸拉力較大，梁內設置截面為H750 mm×350 mm×40 mm×40 mm 的型鋼來抵抗軸拉力[7]，其余樓層框架梁軸拉力由縱向鋼筋承擔，配筋面積按上述4 種工況進行包絡設計，同時按拉彎構件驗算梁頂梁底的裂縫，控制裂縫寬度不應大于0.3 mm。各層框架梁在構造上也采取相應加強措施，如增大框架梁腰筋直徑[8]等。

表1 各層框架梁彎矩、軸力統計

4.2 斜柱周邊區域樓板的設計

在地震作用下，樓板具有傳遞水平力并協調各榀框架及剪力墻之間變形的作用，而斜柱及相連框架梁周邊區域的樓板在恒載及活載作用下會產生拉應力，設計時應控制樓板在豎向荷載下的應力，避免樓板因拉應力出現較大的裂縫而造成剛度的退化，從而保證樓板在設防烈度地震下的性能目標。本工程采用pmspa 軟件對各層樓板的應力狀態進行有限元分析，各層斜柱周邊區域樓板應力如表2 所示。

根據表2 計算的應力趨勢分析可知，在恒載及活載作用下，斜柱周邊區域樓板應力值除個別洞口狹長板帶和局部應力集中的點外，大部分樓板應力值均未超過混凝土軸心抗拉強度標準值ftk（樓板混凝土強度等級為C35，ftk=2.2 N/mm2），其中頂層雪道層樓板拉應力較大，普遍在1.5 N/mm2，整體樓板拉應力可控。在與設防烈度的地震工況組合下，部分樓板拉應力超過混凝土軸心土抗拉強度標準值ftk，應力較大區域應提高樓板配筋率，配筋除滿足豎向荷載作用下的彎曲應力外，還需額外配置附加鋼筋來抵抗軸向拉應力。

表2 各層斜柱周邊區域樓板應力

4.3 結構采取的抗震構造加強措施

本項目建筑外立面造型造成斜柱在外弧普遍存在，考慮到斜柱傳力復雜，斜柱軸力的水平分力對周邊框架梁板均有較大影響，除按上述計算分析的數據結果外，并采取相應的加強措施，綜合如下：

1）外弧斜柱采用型鋼混凝土柱，箍筋全高加密，對穿層斜柱補充屈曲分析，并按該方向同層普通框架柱的剪力并考慮計算長度的不同復核其承載力。斜柱的性能目標提高為中震彈性。

2）斜柱頂與上部鋼結構柱（方鋼管混凝土柱）交匯處及斜柱底與內跨框架柱（型鋼混凝土柱）交匯處采用ABAQUS 軟件補充節點有限元分析。

3）斜柱相連框架梁按拉彎構件設計，配筋按小震彈性、小震彈性（0 板厚模型）、中震彈性（0 板厚模型）、正常使用極限狀態（0 板厚模型）4 種工況進行包絡。構造上框架梁箍筋全長加密，腰筋采用抗扭鋼筋，腰筋直徑不小于18 mm，錨固長度不小于Lae（Lae=34 倍鋼徑直徑=34×18=612 mm），錨固方式同下部縱筋。

4）斜柱層樓板補充在豎向荷載下的應力分析，并根據計算的應力趨勢配置樓板鋼筋，構造上頂層雪道斜柱部位樓板厚度不小于200 mm，配筋不小于12 mm@150 mm雙層雙向，其余層斜柱部位樓板厚度不小于150 mm，配筋不小于10 mm@150 mm雙層雙向。

5）斜柱位置基礎外伸，樁間距加大來增強抗彎能力。

5 結語

通過對本項目斜柱的計算分析，外傾斜柱軸力的水平分量會增大柱剪力，應考慮斜柱軸力水平分量的影響，其豎向荷載作用下斜柱引起的水平力可以相互平衡，水平荷載（風荷載和地震作用）作用下，外傾斜柱引起水平力通過相連框架梁及樓板傳至內部豎向構件，設計時應重點補充對相連框架梁的拉壓分析及斜柱樓層樓板應力分析，并針對斜柱、相連框架梁、周邊樓板及節點提出相應的結構加強措施，保證關鍵構件斜柱在不同地震水準下能達到相應的抗震性能目標，確保不規則超限高層建筑的安全可靠。