锦城南府酒店搭接柱转换结构设计

2016-11-22陈正钢莫鹏程张俊伟

四川建筑 2016年5期

关键词：楼盖内力楼板

陈正钢，莫鹏程，张俊伟，李洲

(四川省建筑设计研究院，成都 610094)

锦城南府酒店搭接柱转换结构设计

陈正钢，莫鹏程，张俊伟，李洲

(四川省建筑设计研究院，成都 610094)

文章对锦城南府酒店工程中采用的搭接柱转换结构进行了详细的介绍，通过与传统梁式转换结构对比，论证了搭接柱结构具有竖向刚度突变小、传力明确和经济合理等优点。重点关注搭接柱转换结构的内力分析以及结构安全性的保证措施和相应的加强措施，对搭接柱相连上下楼盖内力做了详细分析，并给出了搭接柱转换结构的性能设计要求。

搭接柱；楼板应力；性能设计；大震不屈服；转换结构； Etabs

搭接柱转换结构作为一种新颖的结构转换体系，通过“搭接块”传递上下柱的内力，以实现立面外凸与收进，已被较多大型工程采用，代表性建筑如福建兴业银行大厦[1-2]等。与传统梁式转换结构相比，搭接柱转换具有建筑空间利用率高、受力明确和避免结构侧向刚度突变等优点，尤其对于高位转换结构，具有良好的抗震性能。已有的研究表明，搭接柱转换结构如设计妥当，可具有较大的安全储备[2]。

1 工程概况

本工程位于成都市天府新区剑南大道东侧，地下3层主要功能为车库和设备用房；地上28层，1～5层为酒店配套用房，5层以上为酒店客房、避难层、部分办公。房屋高度111.00 m，采用钢筋混凝土框架核心筒结构(底部部分楼层框架柱采用型钢混凝土柱)。

根据建筑功能要求，外框架柱在24层处内收以实现建筑立面造型，如图1、图2所示。为保证高位转换结构的经济性和良好的抗震性能，选用搭接柱转换结构(图3)。相应搭接块位置如图4所示，搭接尺寸C=1 750，h=3 900，搭接比例C/h=0.449。式中参数c、h的意义见图3。

图1 建筑效果图

图2 建筑立面

图3 搭接体系示意

上下层柱尺寸分别为700 mm×600 mm、800 mm×800 mm，上下层梁横截面尺寸分别为600 mm×800 mm、800 mm×800 mm，搭接块厚度600 mm，搭接块在平面中的位置如图4所示。

图4 23层结构平面布置(单位:mm)

2 结构整体计算参数分析

2.1 主要设计参数

主体结构设计使用年限50年，安全等级二级，抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度0.10g，设计地震分组第三组，建筑场地类别II类，特征周期0.45 s，结构阻尼比0.05。地面粗糙度C类，50年一遇基本风压值0.30 kN/m2。

2.2 结构整体分析

根据搭接柱的工作机理，上下楼层楼盖梁板存在较大的拉压力，选用Etabs软件进行整体结构中的楼板应力分析，选用SATWE和ETABS两种结构计算软件进行整体计算分析。两种软件周期与基底反力信息见表1、表2。

表1 整体分析周期对比

表2 基底最大反力

3 搭接柱转换工作机理

搭接柱转换结构通过搭接块传递上下柱内力，避免了设置刚度、高度较大的转换梁，以达到建筑空间利用率高和避免结构竖向刚度突变的目的。以本工程的内收型搭接转换为例，其正常工作状态下的主内力如图5、图6所示。为平衡上下柱轴力产生的力偶，与搭接块相连的上下梁将出现大小相近、方向相反的拉压力。根据力的平衡，可近似认为T≈NSC/h ，其中，T为搭接块上下梁的轴向力，NS为搭接块上柱轴力，因此当NS确定时，搭接比例C/h越大，梁轴力越大；同时，由于梁板的协同作用，受拉压梁附近的现浇混凝土楼板也将出现较大拉压力。

图5 搭接块正常使用状态下的斜压杆内力

图6 搭接块正常使用状态下变形

转换构件为结构中的重要受力构件，应保证在较强地震作用下仍不出现明显破坏；同时为保证搭接柱转换体系性能目标的统一性，搭接块、与搭接块相连上下柱、与搭接块相连上下梁应采用相同的性能目标。

4 搭接柱转换结构整体工作性能对比

为进一步了解搭接柱体系工作的优缺点，针对本工程，采用了传统梁式转换结构与搭接柱结构进行整体计算并进行对比，结果如下:转换梁截面尺寸由剪压比控制，尺寸为900 mm×3 500 mm，为满足建筑功能要求，转换梁处的层高达6 300 mm，造成空间上的极大浪费，如图7所示。

(a)搭接柱转换结构立面 (b)梁式转换结构立面图7 搭接柱转换结构与梁式转换结构对比

较大的层高导致楼层刚度突变，搭接柱转换结构体系与转换梁结构体系在地震作用下的各楼层平均位移如图8所示。由图8可知，转换梁结构体系在转换层处出现了较大的位移突变，这对于结构的抗震性能是极为不利的；而搭接柱转换结构体系层间变形则相对更加均匀、连续。

(a)X方向 (b)Y方向图8 地震作用下楼层位移

由于转换梁对层高增加较多，使得结构总高度增大，周期也相应增加(表3)。

对于转换梁结构，由于楼层层高的突然变化，使得结构的最小楼层刚度比均出现在转换层处(表4)。根据JGJ 3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》，本工程的转换梁结构存在侧向刚度不规则的情况，相比之下，搭接柱转换结构竖向刚度则较为均匀，满足规范竖向刚度均匀变化的要求。

因此出于建筑空间的合理利用以及结构合理性角度出发，本工程选用搭接柱转换结构是较为合理的。

表3 梁式转换与搭接柱转换结构周期对比

表4 梁式转换与搭接柱转换结构最小刚度比

5 重力荷载作用下的承载力和刚度控制

5.1 搭接块

应对搭接块在正常使用状态下的裂缝进行控制，根据文献[1]的建议可采用式(1)计算，其中β按50010-2010《混凝土结构设计规范》式9.3.10取为0.65。正常使用状态下搭接块上柱轴力Vk=2 953.7 kN。

(1)

β·ftk·b·h=3 346.20 kN>2 953.7 kN

满足要求[1]。

5.2 梁板承载力和刚度控制

5.2.1 楼板受力分析

重力荷载作用下，22层楼盖主要承担拉力，23层楼盖主要承担压力，22、23楼层应力云图分别如图9、图10所示。观察图9、图10的X方向应力云图发现，右侧风井开洞导致楼盖应力无法均匀扩散传至核心筒，使该处楼盖与核心筒相连处出现应力集中(以22层为例，最大轴向力148.81 kN/m，右侧箭头处)；与此相比，左侧楼板在搭接块与核心筒间较为连续，楼板应力传递出现良好的扩散现象(以22层为例，最大轴向力125 kN/m，左侧圆圈处)。与搭接块相连的上下楼盖板在应避免在传力路径上开洞，本项目中由于风井位置无法挪动，因此需对开口处楼板予以加厚并加强配筋。对22层，右侧风井周围楼盖厚度取为180 mm，其余处板厚150 mm；对23层，与搭接块相连梁相连的楼板厚度取为180 mm，其余板厚150 mm。

(a)X方向

(b)Y方向图9 22层楼板应力云图

22层楼板板厚180 mm处最大平均拉应力149/180=0.86 N/mm2

(a)X方向

(b)Y方向图10 23层楼板应力云图

5.2.2 梁受力分析

重力荷载作用下，上下层梁、柱的内力如图11所示，受拉层梁控制截面内力如表5所示。

上梁配筋：上部19φ28，下部17φ28；下梁配筋：上、下均配20φ28。同时，梁纵向钢筋应采用机械连接并加强锚固，受拉层梁由于受到较大轴拉力因此纵筋全长拉通。以上措

表5 受拉层梁控制截面内力

施可保证拉压层梁在前文所述的在重力荷载作用下的承载力和刚度及裂缝控制。

5.3 搭接块相连上下柱设计

与搭接块相连的上下柱作为搭接体系的竖向构件，其承载力与延性控制十分重要，参考已有的工程研究[1]，采取以下方法进行加强：

(a)弯矩图

(b)轴力图

(1)抗震等级提高一级，并严格轴压比限值，设计轴压比≤ 0.55；

(2)弹性大震作用下的强剪弱弯，构件斜截面极限承载能力安全度≥1.2倍正截面极限承载能力安全度；

(3)弹性大震组合下正截面及斜截面极限承载能力满足要求(即进行构件层面的性能设计)；

(4)严格控制上下柱在弹性大震组合作用下处于大偏压受力状态(ξb≤0.55)。

5.4 筒体加强

由于本工程框架部分分配的地震剪力标准值的最小值小于结构底部总剪力标准值的10 %，因此，框架承担的地震剪力标准值应按照JGJ 3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》9.1.11-2进行放大，同时墙体的抗震构造措施按抗震等级提高一级后采用。

与搭接块相连的上下层梁其轴向力直接传递至核心筒体，筒体应具有足够的强度以保证与上下层梁的可靠连接，因此在与搭接块上下层梁的连接部位在竖向应设暗柱，在水平向应设暗梁，同时为保证梁钢筋的可靠锚固，剪力墙厚度增加为500 mm。

6 搭接柱转换体系性能设计

搭接柱和与之直接相连的构件是本工程的关键部位，若在地震作用下出现过大变形将使得结构出现连续倒塌的可能。为保证搭接体系在罕遇地震作用下不出现过大损坏，将与搭接块相连的构件的设计性能目标定为大震屈服，以及整个搭接体系为地震作用下的非耗能构件；对于搭接块，其作为搭接体系的节点，地震作用下应具有更高的可靠度，保证在大震下不出现损坏及大震弹性的要求。

因此，本工程搭接柱体系的性能目标为：与搭接块直接相连构件大震不屈服，搭接块为大震下弹性。计算时，根据文献[7]的研究成果，可采用弹性算法近似模拟结构大震下的动力响应，此时周期折减系数、阻尼比取值分别为0.9、0.07。由于前述对搭接块相连梁的裂缝、刚度控制已使得梁纵筋量较小震计算配筋结果有较大放大，因此，在大震不屈服性能目标验算时，梁配筋值只需少许放大即可满足性能要求；同时，经大震不屈服计算，与搭接块相连的柱配筋均有较大放大。搭接块大震下的承载力验算内容如下：

6.1 剪压比

罕遇地震作用下搭接块竖向剪力设计值VV=6 481 kN，(1/γRE)·(0.15fcbh)=7 953 kN，因此

(2)

满足要求[1]。

6.2 配筋

参考GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》11.3.4，偏保守取搭接块的抗剪能力仅考虑其钢筋项，忽略混凝土项的作用，参考文献[1]，抗剪配筋计算公式采用式(3)、式(4):

(3)

(4)

竖向剪力设计值V1=6 481 kN，水平剪力设计值V2=2 724 kN；

竖向钢筋Asvv/Sv≥V1·γRE/(fy·h)=3.9，配筋率0.65 %；

水平钢筋Asvh/Sh≥V2·γRE/(fy·c)=3.7，配筋率0.62 %；

搭接块配筋如图12所示，配筋满足要求[1]。