某室内滑雪馆斜柱结构分析与设计

徐晟翔

(江苏省建工设计研究院有限公司，南京21000)

1 引言

随着我国经济水平的提高，城市现代化水平不断发展，建筑技术水平也得到了巨大提升，常规竖直的外立面体型已经无法满足建筑师对于现代城市建筑的设计需求，建筑物的外立面逐渐多元复杂化，斜柱在公共建筑中如体育建筑、展览馆、会展中心及超高层建筑中逐渐得到运用。直柱框架完全依靠柱剪力抵抗水平荷载，对于内倾或外斜的框架，斜柱传力途径复杂，而现有规范对斜柱结构的设计并没有明确规定。鉴于以上情况，本文以本项目中斜柱设计为例，提出斜柱结构设计中需要注意的事项，并采取必要的加强措施。

2 工程概况

本工程位于南京市江北新区，建筑功能为雪馆综合体，地上建筑面积约1.056×105m2，地下建筑面积约6.23×104m2，项目设置1 层地下室，地面以上由商业和雪馆综合体组成。建筑采用戏雪区（E、F 区）、商业（1～3 区）与酒店（A～D 区）在空间上紧密结合，如图1 所示，以圆形的戏雪区为核心，酒店+商业360°视觉围绕，最大化挖掘雪景价值。

图1 分区示意图

外围商业（1～3 区）结构单元为多层，建筑功能为商业，滑雪馆综合体（A～D 区）3 层以下为海洋馆，与商业连为整体，消防疏散借用商业；4 层及以上为酒店客房，有独立的消防疏散；利用客房顶部作为滑雪道，雪道面上为大跨度钢结构屋面。

建筑外立面是下小上大的圆弧斜面，如图2 所示，雪道的宽度是固定的39.65 m，斜柱顶端支撑滑雪道屋顶的外侧钢柱，钢柱内力通过斜柱向下传递，共19 处。滑雪道标高随坡度由高降低，斜柱倾斜的角度由小到大，最大达到26.8°，最大悬挑8.4 m。考虑幕墙荷载后钢柱传来的轴力约3 700 kN，弯矩约2 400 kN·m，结构有天然向外倾倒的趋势。

图2 某室内滑雪馆建筑效果图

3 结构体系及布置

针对不规则的建筑平面和竖向，同时考虑到建设单位控制成本的需求，设计时通过设置抗震缝，并根据温度应力分析的计算结果及结合建筑的外立面效果划分结构单元。

其中，雪馆综合体（A～D 区）采用框架-剪力墙结构，顶层为空间钢桁架结构。楼面采用普通现浇钢筋混凝土梁板式楼盖，斜柱周边范围的楼板除顶层雪道层为200 mm 厚外，其余楼层斜柱周边范围楼板均为150 mm 厚；与斜柱相连的框架梁截面为800 mm×1 050 mm、900 mm×1 350 mm；斜柱截面尺寸为1 200 mm×1 500 mm。现以斜柱普遍存在的A 区进行分析，如图3 所示。

图3 斜柱普遍存在的A区结构模型

4 斜柱结构设计

根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》（建质〔2015〕67 号文）[1]的有关规定，斜柱属于67 号文表2 不规则项中的局部不规则，而本工程A 区存在扭转不规则、偏心布置、凹凸不规则、尺寸突变、局部不规则（穿层柱、斜柱、夹层），具有3 项及以上不规则，属于超限工程[2]。

根据超限报告及专家组专项审查意见：

1）支撑雪道屋盖钢柱的外弧斜柱采用型钢混凝土柱；

2）不考虑楼板刚度贡献，与斜柱相连的各层框架梁进行拉（压）验算，并验算正常使用极限状态下的裂缝宽度；

3）斜柱及相连框架梁、支承雪道顶的钢柱按中震弹性设计；

4）斜柱层楼板补充竖向荷载下的应力分析。

4.1 与斜柱相连框架梁的设计

由于斜柱的存在，柱轴力会产生水平拉（压）力，此部分水平力将由与斜柱相连的梁板共同承担，为分析梁轴力的大小，计算时不考虑楼板的有利作用（楼板厚度设为0），完全由框架梁承担水平力，对框架梁进行拉（压）验算。相连框架梁配筋按小震弹性、小震弹性（0 板厚模型）、中震弹性（0 板厚模型）[3]、正常使用极限状态（0 板厚模型）[4]工况进行包络设计[5]。

经计算分析，由于斜柱外倾，斜柱轴力产生的水平分力使相连的框架梁受拉。框架梁最大轴拉力出现在顶层雪道，轴拉力随斜柱外倾的角度变大而增大，端榀X29 轴处斜柱角度最大，为21.19°，框架梁中震工况下轴拉力为2 727 kN，如图4所示[6]；中间榀X19 轴处斜柱角度最小，为10.16°，框架梁中震工况下轴拉力为1 911 kN，各层框架梁弯矩、轴力统计如表1所示。

图4 X29 轴结构剖面图

由表1 数据可知，斜柱产生的水平分力能有效地被框架梁平衡，保证斜柱水平力的传递，框架梁因承受水平拉力，应按拉弯构件进行设计。2 层及顶层雪道的框架梁轴拉力较大，梁内设置截面为H750 mm×350 mm×40 mm×40 mm 的型钢来抵抗轴拉力[7]，其余楼层框架梁轴拉力由纵向钢筋承担，配筋面积按上述4 种工况进行包络设计，同时按拉弯构件验算梁顶梁底的裂缝，控制裂缝宽度不应大于0.3 mm。各层框架梁在构造上也采取相应加强措施，如增大框架梁腰筋直径[8]等。

表1 各层框架梁弯矩、轴力统计

4.2 斜柱周边区域楼板的设计

在地震作用下，楼板具有传递水平力并协调各榀框架及剪力墙之间变形的作用，而斜柱及相连框架梁周边区域的楼板在恒载及活载作用下会产生拉应力，设计时应控制楼板在竖向荷载下的应力，避免楼板因拉应力出现较大的裂缝而造成刚度的退化，从而保证楼板在设防烈度地震下的性能目标。本工程采用pmspa 软件对各层楼板的应力状态进行有限元分析，各层斜柱周边区域楼板应力如表2 所示。

根据表2 计算的应力趋势分析可知，在恒载及活载作用下，斜柱周边区域楼板应力值除个别洞口狭长板带和局部应力集中的点外，大部分楼板应力值均未超过混凝土轴心抗拉强度标准值ftk（楼板混凝土强度等级为C35，ftk=2.2 N/mm2），其中顶层雪道层楼板拉应力较大，普遍在1.5 N/mm2，整体楼板拉应力可控。在与设防烈度的地震工况组合下，部分楼板拉应力超过混凝土轴心土抗拉强度标准值ftk，应力较大区域应提高楼板配筋率，配筋除满足竖向荷载作用下的弯曲应力外，还需额外配置附加钢筋来抵抗轴向拉应力。

表2 各层斜柱周边区域楼板应力

4.3 结构采取的抗震构造加强措施

本项目建筑外立面造型造成斜柱在外弧普遍存在，考虑到斜柱传力复杂，斜柱轴力的水平分力对周边框架梁板均有较大影响，除按上述计算分析的数据结果外，并采取相应的加强措施，综合如下：

1）外弧斜柱采用型钢混凝土柱，箍筋全高加密，对穿层斜柱补充屈曲分析，并按该方向同层普通框架柱的剪力并考虑计算长度的不同复核其承载力。斜柱的性能目标提高为中震弹性。

2）斜柱顶与上部钢结构柱（方钢管混凝土柱）交汇处及斜柱底与内跨框架柱（型钢混凝土柱）交汇处采用ABAQUS 软件补充节点有限元分析。

3）斜柱相连框架梁按拉弯构件设计，配筋按小震弹性、小震弹性（0 板厚模型）、中震弹性（0 板厚模型）、正常使用极限状态（0 板厚模型）4 种工况进行包络。构造上框架梁箍筋全长加密，腰筋采用抗扭钢筋，腰筋直径不小于18 mm，锚固长度不小于Lae（Lae=34 倍钢径直径=34×18=612 mm），锚固方式同下部纵筋。

4）斜柱层楼板补充在竖向荷载下的应力分析，并根据计算的应力趋势配置楼板钢筋，构造上顶层雪道斜柱部位楼板厚度不小于200 mm，配筋不小于12 mm@150 mm双层双向，其余层斜柱部位楼板厚度不小于150 mm，配筋不小于10 mm@150 mm双层双向。

5）斜柱位置基础外伸，桩间距加大来增强抗弯能力。

5 结语

通过对本项目斜柱的计算分析，外倾斜柱轴力的水平分量会增大柱剪力，应考虑斜柱轴力水平分量的影响，其竖向荷载作用下斜柱引起的水平力可以相互平衡，水平荷载（风荷载和地震作用）作用下，外倾斜柱引起水平力通过相连框架梁及楼板传至内部竖向构件，设计时应重点补充对相连框架梁的拉压分析及斜柱楼层楼板应力分析，并针对斜柱、相连框架梁、周边楼板及节点提出相应的结构加强措施，保证关键构件斜柱在不同地震水准下能达到相应的抗震性能目标，确保不规则超限高层建筑的安全可靠。