某辦公樓穿層柱受力分析及應用探析

王梅芳 （安徽南巽建筑規劃設計院有限公司，安徽 合肥 230011）

0 前言

目前的建筑設計對空間的多變性要求越來越高，例如建筑大堂、門廳、下沉式廣場、大中庭、宴會廳、立面凹造型等等各種穿層高大空間的使用變得越來越多。常用的穿層高度為2～3 層，穿層區域面積占本層面積的大小對結構模型的假定及穿層柱分析方法的選取都有一定的影響。結構設計中，合理處理這些非常規構件，確保結構安全的前提下，讓結構設計便捷、快速、易于實現也是結構師應解決的問題。本文從實際出發，采用了不同的方法對穿層柱進行理論分析，選取最適合此類工程的設計方法。

1 工程概況

該項目位于安徽合肥，地上有2 幢高層辦公樓分別為23 層（1#樓）和18 層（2#樓），下設三層地下車庫。1#樓和2#樓均采用框架-核心筒結構，1#樓裙房為3層商業，采用框架結構。1號樓及裙房底層位置入口大堂與下沉式廣場位置因功能需要樓板開洞，形成穿層柱。針對穿層柱做了多種方法進行分析，使其設計安全合理。

2 穿層柱的成因分析及設計要求

穿層柱顧名思義就是超過一層，其形成原因多是為滿足大空間的需求或者是因為功能不同，對層高的要求不同，將局部樓板開洞造成的，導致部分框架柱在樓層位置無法設置框架梁與之相連，或者只設置單方向與其相連，從而形成長短柱共用的情況。穿層柱除計算長度與樓層柱不相同外，在整體分析中所承擔的地震剪力也發生變化。力流是根據豎向構件剛度進行分配的，穿層柱由于其高度相對常規樓層柱，柱截面相同的情況下，計算長度加大，剛度就會減小，在計算分析過程中分配的地震剪力較小，從而導致計算配筋比樓層柱小。

計算分析中應考慮多種可能性，例如中震、大震中出現短柱先破壞，失去抗震能力后，地震剪力全部轉由長柱承擔的可能性。設計過程中不僅應考慮短柱、長柱的安全，樓板轉遞地震作用的能力也不能忽視。故“關于超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術把關”的要求中建議:首先要判斷對樓蓋整體性的影響情況，開洞對樓蓋整體性影響較小的可以按常規方法進行補充計算，采用構造措施進行加強；若開洞對樓蓋整體性影響較大，就不能視為獨立的一個樓層計算時，建議與相鄰層并層進行計算分析;并仔細復核并層后相鄰上下樓層的剛度比和承載能力比，避免同時出現軟弱層和薄弱層的情況。其次，開洞較大時，局部樓板建議按大震作用下復核樓板平面內的承載力;另外，框筒結構中框架柱在多道防線調整的基礎上，外框的長柱要按樓層柱的剪力復核其承載力;特殊情況下樓層框架短柱建議按大震安全復核承載力，確保存在穿層柱的樓層的結構安全性。

3 穿層柱的一些常規分析方法

建筑物的形式各式各樣，有規則的，有異形的。一些常規建筑，形體比較規則，開洞對樓蓋結構影響較小，形成的穿層柱數量較少，其高度也不大，且不在結構受力最不利位置如角部、平面轉角處、細腰薄弱等位置，可以按照常規設計方法進行設計，采用構造方法進行加強處理。常用幾種補充計算方法有長細比校核、參考柱法、并層計算法、空間分析法等。

3.1 長細比校核

根據《混凝土結構設計原理》，方形柱的長細比L0/b＜30（Lo 為柱的計算長度，b 為矩形截面的短邊長，h 為長邊長），當L0/b＞30 時，其屬于細長柱，破壞時接近于彈性失穩，一般控制在L0/b =15 左右。由于長細比較大時柱的二階效應明顯，易失穩，故柱軸力較大時，應嚴格控制長細比；《建筑結構設計實用指南》中矩形框架柱截在之b及h應不小于（1/15～1/20）H(H 為層高)；《混凝土結構構造手冊》（第五版）中框架柱的截面宜滿足L0/b≤30；L0/h≤25。常規柱的長細比不會起控制作用，而穿層柱的高度較高時，就要注意長細比，出現長細比較大時，建議增大截面，確保安全。結合上述經驗，主樓穿層柱截面取值為1200mmX1000mm，裙房柱截面為600mmX600mm。主樓L01 為8.4m，裙房L02 為12.6m。L0/b 分別為8.4 和21,均可滿足經驗值的要求。

3.2 參考柱法

常規建筑設計時，很多工程穿層柱數量很少、占比較小，并且結構整體布局規整，地震烈度不高，地震作用力不大時，可以采用簡化設計，按同層相類似情況的普通框架柱所分配到的地震力作為參考或多個框架柱的平均值作用依據，對穿層柱進行單獨核算。核算原則是：框架柱的軸力、計算長度等參數根據穿層柱實際情況取值，而地震力則是根據參考框架柱的地震力考慮，并結合《高層建筑混凝土結構技術規程》和《建筑抗震設計規范》要求進行相應的調整。這種方法簡單易于操作，但是對工程經驗的要求相對較高，對參考柱的選取也要結合以往的經驗。還有個缺點就是地震力較高時，驗算結果可能會相差較大，造成工程設計的浪費。本工程也做了相應分析，分析結果如表1所示。

由表1 可知：普通柱與穿層柱比較，非穿層方向兩者計算配筋相差不大，僅相差2.45%，而穿層方向的計算結果比普通柱的配筋相差較大，差值為19%。為確保安全，設計時兩者取包絡進行配筋。

單獨計算法普通柱與穿層柱的結果比較 表1

3.3 穿層合并法

穿層合并法從字面就可以理解，就是把含有穿層柱的兩層或數層，合并為一層考慮，把開洞層作為層間板和層間梁來處理。模型分析時層高的取值為兩層或數層的層高，計算分析時軟弱層與薄弱層易出現在同一層，對結構安全不利，需要調整截面來滿足各參數的需要，故得加大豎向構件的截面，調整截面后的合并后的模型還要與原模型（調整截面后）進行包絡設計。

穿層合并法與參考柱法的設計思路基本是類似的，都是將周邊參考框架柱或者將合并樓層后將地震力較為平均地分配給穿層柱和樓層柱，都是人為的假定穿層柱與樓層柱受到相同的地震力，都增大了穿層柱承擔地震作用的能力。這樣做最大的益處在于確保穿層柱不會比樓層柱先進入塑性狀態，讓結構的塑性變形發展方向不在假定范圍內，造成結構整體破壞形式的不可控制。本計算方法分析結果如表2。

由表2 可知：采用穿層合并法普通柱與穿層柱的計算配筋差別不大，配筋差值在5%以內。

穿層合并法的普通柱與穿層柱的結果比較 表2

采用上述三種方法，對結構整體計算分析如表3。

由表3 可知，此工程采用三種模型，對結構整體參數影響較小，特別是完整模型與并層模型的配筋幾乎差別，而開洞模型的計算配筋卻相差較多，為確保結構局部安全，對開洞位置進行單獨分析是必要的。

不同計算方法對結構整體的影響分析表 表3

3.4 空間模型計算分析

計算機輔助設計得到長足的發展，空間結構分析軟件采用有限元的分析方法，可以對結構受力狀況進行更為準確的模擬，模型的假定更為接近現狀，從而能確定穿層柱較為真實的受力情況。

根據結構設計目標，考慮穿層柱在“中震不屈服”或“大震不倒”的要求下的受力狀況分析，并根據設計要求的性能目標要求對計算結果做相應的調整。這種空間模型計算方法與實際受力情況較為接近，能更好地對關鍵構件進行分析，既能確保安全，又不會因為放大造成不必要的浪費。

4 專項設計方法

①對于整體結構較為簡單、規則，但穿層柱長細比較大的情況，受建筑限制截面無法增大，可以考慮采用模型做法或有限元分析法對穿層柱進行專門的設計分析。

模型做法是鋼筋混凝土細長柱撓曲失穩的近似計算方法，是一種以一般計算理論為基礎的模型柱的簡化計算，當穿層柱長細比過大時，此計算方法較為適用。

目前常用的軟件如SATWE，對穿層柱的處理是程序自動搜索穿層柱信息，但地下室柱除外。故存在下沉式廣場引起的穿層柱軟件無法識別，要有足夠的重視。另外，樓板剛性假定時，穿層柱是按層進行考慮，其計算長度系數與實際不同，故對穿層柱配筋時，不能采用強制剛性樓板假定。

②對于存在多項不規則的復雜高層建筑，出現穿層柱時，按常規設計方法，無法保證結構安全性，應進行專項設計。此類穿層柱的設計應結合結構整體大震下的彈塑性進程分析，并在分析中重點關注，穿層柱不能成為率先出現塑性鉸的構件，并對穿層柱進行屈曲分析。屈曲分析首先要給出穿層柱的初始缺陷位移，然后再逐級加載，分析出導致柱失穩破壞的屈曲因子和屈曲模態，再結合罕遇地震穿層柱分配到的地震作用力，就可以判斷出穿層柱的安全性。

5 構造加強措施

穿層柱大部分都是位于門廳等人員密集的部位，在抗震構造上建議加強，建議提高一度采取抗震構造措施。柱箍筋加密，箍筋直徑12mm，箍筋間距100mm 并減小箍筋肢距，此措施可增加框架柱延性，地震發生時為提供時間為人員逃生或者事后救援；變形協調，可以考慮加強其相鄰上下層樓板及相鄰跨樓板，板厚宜做到150mm，采用雙層雙向配筋，配筋率不宜小于0.25%，確保上下樓層變形一致；樓層剪力調整，控制穿層柱所分配的地震力，原則上不小于樓層所有框架柱所受地震力的平均值，也不小于本層總地震剪力的1.5%，確保穿層柱地震作用下的安全性。

6 結論

①穿層柱設計時應驗算其長細比，特別是因下沉式廣場引起的穿層柱，要復核其長度系數的正確性。

②穿層柱分析應根據結構特點來單獨進行分析，既要保存安全，也要經濟合理，并且針對不同情況采取相應的加強措施。

③穿層剪力墻，特別是高層下層帶商業的這類建筑，兩層底商，經常會在剪力墻兩側設置樓梯，就必須正確判斷墻體的約束情況，認真復核這類墻的穩定性，確保結構設計安全。