斜柱转换结构在万海大厦中的设计与应用

赵越

摘要：随着建筑体型、建筑功能复杂化，高层及超高层建筑立面沿高度方向往往出现角部或四边向上逐渐收进，导致某些楼层竖向构件不连续，转换层结构应运而生。转换层结构的主要形式有：梁式转换、板式转换、箱形转换、桁架转换、斜撑转换、搭接转换等。带转换层的高层建筑结构由于竖向布置及刚度变化，在地震作用下受力复杂，因此，转换层的合理设计将直接影响结构的受力性能及构件尺寸。

关键词：超高层建筑：斜柱转换：结构设计

前言：

本文论述的是一种新型的转换结构形式：斜柱框架转换结构。这种转换结构主要用于结构中的外框架（外筒）的转换，而核心筒保持上下贯通。斜柱框架转换与上述其它转换形式相比有着明显的优势：不影响建筑内部使用空间，梁柱等构件尺寸能得到有效控制，结构上下层刚度不会产生突变。然而，在斜柱与直柱转换点处，框架梁成为压弯和拉弯构件，这对框架梁提出了更高的要求。本文以实际工程万海大厦为背景，探讨了超高层结构中斜柱框架转换设计中应注意的一些问题。

万海大厦为甲级写字楼，地下2层，地上42层，主体结构总高度176.45米。采用钢筋混凝土框架-核心筒结构，为减小底部框柱截面尺寸，提高框柱延性，17层以下框柱内设置了型钢。建筑平面尺寸43.8x43.8m，内筒尺寸20.6x20.6m，高宽比8.56。根据建筑方案，需在27层角部及33層周边完成两次收进，为此，结构将24层以下的角柱及31层以下的边柱通过斜柱转换的方式分别收进到第27、33层，斜柱倾斜角度均大于74度，如下图所示：

因建筑方案角柱需在27层双向内收，沿45度方向水平投影尺寸达2188mm，如仅在26层倾斜角柱，则倾角约为60度，将产生较大的水平力，经与建筑协商，采用在25～26层跨越两层倾斜角柱，以达到建筑方案要求。因25～26层内收的角柱数量少，且穿越两层，倾斜度较小，对楼面梁、板的影响小于32层，故本文仅以32层进行分析。

本工程以混凝土核心筒为主要抗测力构件，在外框架转换方向能很好的满足平截面假定。在完成结构整体计算分析后，针对斜柱框架转换部位分别进行空间整体分析和平面框架分析。空间整体分析依然采用整体结构模型，读取斜柱框架部分的梁柱内力并与平面分析结果对比，发现以下一些问题：

1、 平面框架计算结果大于空间整体计算结果。因为空间整体计算考虑了结构的整体工作效应和内力的空间分布，为保证斜柱转换框架结构的安全，可取两种计算模型的最不利情况进行构件设计；

2、 转换层的梁轴力、弯矩、剪力都较大。斜柱转换框架部位的梁成为拉（压）弯构件。对压弯构件应充分注意梁的稳定问题，相应区域的楼面荷载必须严格控制；为解决拉力产生的不利影响，可以采用被动式和主动式两种方法。被动式方法即为加大梁截面，按照空间整体计算和平面计算的最不利荷载组合进行拉弯构件验算和校核。主动式方法是在外框架与核心筒之间设置预应力钢索，并以无粘结形式设置在框梁内，以主动抵消部分梁内水平拉力。经验算，现有梁截面通过加大配筋，可满足拉弯构件的要求，故采用被动式处理方法；

3、 斜柱转换框架部位的梁柱及梁墙刚接节点成为关键，应注重刚性连接的构造措施，保证结构的安全。

针对以上问题，设计时采用了如下方法及技术措施：

1、 与斜柱相连的上下层楼板按弹性板方法计算构件内力。第32层楼面梁在重力荷载作用下的轴向拉力标准值如图11-3所示。

2、 楼面梁按偏心受拉构件进行设计，承载力满足中震不屈服的设计要求，此外还应满足正常使用极限状态验算要求，即按重力荷载效应正常工作状态并考虑长期作用影响计算的最大裂缝宽度小于等于0.2mm；

3、 为避免楼面梁与剪力墙因锚固不足而在轴力作用下出现拉脱情况，沿核心筒外墙楼板下方设置水平环梁，截面800x700，将楼面梁传来的拉力或压力传递到与环梁垂直的核心筒剪力墙上，也避免了因电梯、楼梯等楼板开洞造成剪力墙平面外受力。出现拉应力的楼面框梁两端的锚固按框支梁的构造要求设计，楼面次梁两端的锚固按框架梁的构造要求设计；

4、 斜柱上下层的楼板按中震不屈服设计，且板厚均180mm，双层双向配筋，每层每方向配筋率不小于0.3%；

5、 斜柱的性能目标满足中震下抗弯、抗剪弹性，大震下满足抗剪截面控制条件。

结语：经过合理设计，斜柱框架转换结构完全可以应用到超高层结构中，尤其适合于高位转换，且斜柱框架转换形式能最大限度的满足建筑设计对内部空间的要求。希望本文能对类似的超高层结构设计有一定参考价值，并对斜柱转换框架的设计研究起到抛砖引玉的作用。

参考文献：

[1]徐培福、傅学怡等.复杂高层建筑结构设计 [M]. 中国建筑工业出版社， 2005.

[2]汪大绥，张坚，包联进等. 世茂国际广场主楼结构设计[J]. 建筑结构，2007，37（5）： 13-16.