建筑工程中带斜柱转换结构设计分析

文/李焕 烟台金邦冶金工程咨询有限公司 山东烟台 264002

斜撑—柱转换结构节点是指处于斜向构件和垂直构件之间的节点，已成功运用于部分高层和超高层建筑当中，其可靠性是结构安全和构件能够充分发挥作用的重要影响因素。评估该类型节点的受力性能，通常可以采用试验方式或者模拟方式；与试验方式相比，有限元模拟方式通过建立数值模型，可以开展参数化分析，并能够较全面地了解受力情况。

1、斜柱转换的形式

在建筑设计中，由于使用功能或者立面造型的需要，有时下部的局部竖向承重构件与上部不能对齐，存在一定偏移，这就造成结构设计中，在某一层需要进行结构的转换。目前国内常用的转换形式有框支转换、厚板转换、箱形结构转换、斜柱转换等。斜柱转换根据其不同的形式，大体可分为三种，即单斜式、正V字斜式和倒V字斜式。住建部颁布的《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点(建质［2015］67号)》中规定，斜柱转换属于一不规则项，为“局部不规则”，结构设计中应予考虑，并采取相关的计算和加强措施。

2、工程概况

苏州公安应急指挥中心办公大楼地下1层，地上21层，其中裙房3层。标准层长59.4m、宽24.5m，建筑面积约35000m2。办公大楼底层层高为5.0m，标准层层高为4.2m，主屋面高度为000m，机房构架层顶面高度为99.000m。

2.1 设计参数

建筑抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第一组，多遇地震影响系数最大值根据地震安全性评价报告确定为0.079。根据地勘报告，本工程的场地类别为Ⅲ类，由于土层等效剪切波速处于分界线附近，场地特征周期按插值方法确定为0.51s。

2.2 上部结构设计

办公大楼采用现浇框架-核心筒结构体系，楼面采用现浇钢筋混凝土肋梁楼盖。计算分析结果显示，结构各项抗震指标基本满足要求。

本工程结构的不规则情况及应对措施如下：

(1)扭转不规则。本工程部分楼层扭转位移比大于1.2，属于扭转不规则结构。对此，加强角柱纵筋并加密箍筋以提高其延性。

(2)楼板局部不连续。由于2层、3层楼板平面开大洞，开洞面积约35%，有效楼板宽度约50%，形成3层通高共享空间，造成裙房外围框架柱为穿层柱。对于楼板平面开大洞产生的不利影响，采用两个不同力学模型的软件进行对比计算分析，并复核穿层柱承载力。

(3)竖向尺寸突变。本工程4层以上塔楼平面相对于裙房屋面在Y向收进一跨，竖向构件位置缩进略大于25%。对此，结构设计采取以下措施：1)减小结构刚度的变化，控制上部收进结构的底部楼层层间位移角不大于相邻下部区段最大层间位移角的1.15倍;2)上下各2层塔楼周边竖向结构构件的抗震等级提高一级;3)加强收进部位以下各层结构周边竖向构件的配筋构造措施;4)加强体型收进部位的楼板厚度(裙房屋面即为局部斜柱转换层)，双层双向配筋且配筋率不小于0.25%。

(4)存在局部斜柱转换。本工程4层以上塔楼2根边柱采用斜柱转换。对此，结构设计采取以下措施：1)底部两层设置为强制薄弱层，充分考虑竖向抗侧力构件不连续对整体结构带来的不利影响;2)加强局部斜柱区域楼板厚度及配筋，并对转换层楼板进行平面内应力分析;3)斜柱转换结构构件采用型钢混凝土，从严控制轴压比并补充抗震性能化设计;同时对水平拉梁内型钢按受拉承载力不小于斜柱水平拉力的要求进行设计;4)补充弹性时程分析计算。弹性时程分析计算结果显示，结构在地震作用下的基底剪力由CQC法包络，结构楼层位移尚不存在明显的突变。

3、斜柱转换设计

根据建筑功能要求，大楼底部两层通过平面开大洞及抽柱在入口处形成3层通高共享空间，在5层及6层采用2层高斜柱对塔楼2根边柱进行局部转换，转换跨跨度为25.2m。

3.1 转换形式及受力性能分析

对于3跨托2柱的情况，结构设计时对桁架转换和斜柱转换两种转换形式进行对比分析。通过计算可知，在桁架转换形式下，受压斜柱的轴力较大，受拉斜柱的轴力相对很小，说明受拉斜柱的利用效率不高。而斜柱转换形式下，斜柱轴力有所增加，但避免了在混凝土结构设计中采用受拉杆件，便于施工。另外，由于传统转换桁架斜腹杆较多，因而抗侧刚度较大。上部结构抗震设计时，转换层上下侧向刚度比、楼层抗剪承载力比等指标均较难满足要求。因此，结构设计最终采用斜柱转换。

3.2 斜柱转换结构性能化设计目标

鉴于转换结构的重要性，为提高转换构件的刚度和延性，转换结构相关区域的上下2层构件采用型钢混凝土，转换柱截面尺寸为1300×1200，含钢率约6.3%，混凝土强度等级为C55;斜柱截面尺寸为900×1000，含钢率约5.7%，混凝土强度等级为C50。斜柱转换结构按抗剪中震弹性，抗弯中震不屈服设计。按《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)［1］7度设防的水准，采用静力推覆法对塔楼进行罕遇地震作用下的结构弹塑性变形验算。

3.3 施工次序对转换结构内力及变形的影响

结构设计时，对带转换结构的高层建筑应考虑施工模拟对转换结构及周边构件内力的影响。通过不同施工次序分析可知，转换柱按一次性加载和施工模拟加载两种方法分别计算的轴力相差达20%，显示不同施工次序对关键构件的内力有明显影响，且随着斜柱转换上部参与一次性形成整体刚度的楼层数量增加，转换柱柱底内力相应变小。

结语：

当超高层建筑由于平面缩进，立面上出现斜柱，结构设计应根据传力路径，对斜柱相关楼板传力机制，斜柱相关楼面梁传力机制，斜柱承载力及相关节点进行分析。可采用布置预应力筋+增设非预应力筋等方式加强受拉层楼板。楼面梁传力机制复杂，同斜柱角度、穿越楼层数、是否角柱和平面布置密切相关，水平力影响范围不限于同斜柱直接相连的梁。斜柱计算长度和节点需要仔细计算分析，节点设计需要关注节点域壁厚和加劲板布置。立面斜柱转换区域，转换层受力机制同施工方式密切相关，为最大限度的使结构施工连续、顺畅，减少施工间歇时间，综合结构受力和施工组织安排，采用逐层浇筑和封顶后浇筑两种施工方案，针对不同转换区段采用不同的施工方案，并加强监测要求。