斜柱框架转换在超高层混合结构中的应用

2018-12-03高永卓陕西建工安装集团有限公司陕西西安710068

数码设计 2018年8期

高永卓(陕西建工安装集团有限公司陕西西安 710068)

1 前言

本文以实际工程为背景，探讨了超高层混合结构中斜柱框架转换设计中应注意的一些问题。该工程高241m，地下4层，地上53层。六层以下采用型钢混凝土外框架，七层以上由方钢管混凝土柱和钢梁组成外框架，混凝土核心筒上下贯通，在核心筒所有的纵横墙相交处设置型钢混凝土柱，该措施有效提高了核心筒的延性，同时也方便了钢梁与核心筒的刚性连接。依照建筑功能的要求:6～27层为办公楼层，30～53层为酒店，酒店部分进深11．4m，办公部分进深13．5m，酒店层与办公层之间设空中大堂及酒店配套服务楼层，外框架柱的竖向布置采用了斜柱转换方案:将30层以上的直柱，在28、29层间采用斜柱转换的方式过度到27层以下的直柱，并贯通至基础。

2 计算模型

由于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。斜柱框架转换部位的局部模型如图1所示。平面框架计算模型截取31层至地下一层(嵌固端)，不考虑地下室主塔楼区域外结构的影响，如图2所示。斜柱框架部分构件编号及计算简图如图3所示。

针对以上几点，提出以下设计建议:

(1)平面框架计算结果大于空间整体计算结果是容易接受的，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)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，因此，相应区域的楼面荷载必须严格控制。对拉弯构件有两种方式解决拉力产生的不利影响，一种是被动方式，一种是主动方式，这将在后面展开讨论。

(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。

3 中震下关键构件分析

依据本工程的特点，制定了中震下结构的性能目标:中震下核心筒墙肢不出现整体受拉，底部加强部位和斜柱转换部位竖向构件为弹性，其它部位竖向构件不屈服。为达到这一性能目标，采用两种方法分别考察斜柱转换部分的受力性能:(1)在原有弹性模型基础上，调整加速度反应谱参数至中震情况，但所有构件参数依然按弹性设计考虑;(2)采用弹塑性时程分析方法，选取合适的构件恢复力模型、输入适当的地震波进行中震动力分析，并考察斜柱转换框架的动力反应。

首先进行整体模型的弹性中震反应谱计算(简单的说即将地震力放大2．81倍)，计算结果表明斜柱转换框架部分仍处于弹性阶段。然而必须认识到，以上弹性中震反应谱计算的结果是并不一定偏于安全的，因为中震下整体结构中会出现一部分构件进入弹塑性状态，结构内力会产生重分布，所以有必要进行中震弹塑性分析。

选用一条人工波和三条实震记录(El Centro－EW、WufengNE－NS、YunlincitySE－NS，后两条为1999年台湾集集地震的记录)，利用CANNY软件进行弹塑性时程分析［4］。分析结果表明:在斜柱框架转换方向(Y方向)，对于中震下(PGA=100gal)的四条地震输入，结构层间位移角最大不超过1/300，底部加强区域和斜柱转换部位的竖向构件均处于弹性工作状态，斜柱转换部位的框架梁没有屈服，其它竖向构件也没有屈服。

通过以上分析，可以看出结构可以达到中震下的抗震性能目标。

4 受拉楼层解决方案

在28层斜柱转折处，在竖向荷载及水平荷载的共同作用下，斜柱产生了较大的水平力。连接外框架柱和核心筒的框架梁亦产生了较大的拉力，框架梁成为拉弯构件。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，严格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。当然梁截面的增大也会带来梁刚度的增大，同时其内力会随之发生变化，因此这是一个不断迭代的过程，最终梁截面还须满足弹塑性设计的性能要求。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钢梁内(梁为钢箱梁)，以主动抵消一部分梁内水平拉力。同时，在第28层楼面内设置水平桁架，加强受拉楼层的平面内整体刚度。