某钢框架斜柱结构设计分析

王娱

中铁上海设计院集团有限公司 上海 200070

1 结构概况

某高层建筑主体采用钢框架结构体系，建筑高度为55.5m，地下两层，地上十三层。为满足建筑外立面设计需要，地上结构底部2层设置斜柱转换层，斜柱由地下室顶板支承到地上2层顶板。斜柱KZ1、KZ2与竖向平面夹角为35.9°，采用箱型截面600x600x40x40，材性为Q355B。

图1 斜柱结构局部模型示意图

2 斜柱相连梁柱受力分析

为研究斜柱结构受力性能特点，现对斜柱KZ1、KZ2及其相连构件进行受力分析，分析构件如图2、图3所示。斜柱对结构的主要影响是由柱子倾斜而引起的水平分力，该水平分力由梁、板共同承担。

图2 斜柱KZ1内力分析图

图3 斜柱KZ2内力分析图

表1 KZ1节点受力情况（kN）

表2 KZ2节点受力情况（kN）

由上述计算结果可以看出，斜柱的存在使得钢柱轴力产生水平分量，与斜柱相连的上层钢梁承担该水平力并受拉，各荷载组合下钢梁包络拉力为1318kN，弯矩463kN·m，钢梁截面为H600x300x12x18，材质为Q355B，按拉弯构件复核钢梁的承载力得到的钢梁应力比0.48[1]。斜柱下层地下室顶板混凝土梁受拉处各荷载组合下包络拉力为838kN，梁弯矩523kN·m；构件受压处各荷载组合下包络压力为1330kN，梁弯矩2132kN·m，梁截面为400x900，材质为C35，按拉弯、压弯构件复核梁的承载力满足安全要求[2]。

3 斜柱节点有限元分析

斜柱节点关键区域的受力性能研究采用有限元分析方法，节点模型中梁、柱构件均采用实体单元模拟，大震作用组合下斜柱节点变形及应力计算分析结果如图4～7所示：

图4 X向地震组合节点变形

图5 Y向地震组合节点变形

图6 X向地震组合节点应力

图7 Y向地震组合节点应力

由上述计算结果可知，节点在大震作用下的应力基本小于Q355钢材的屈服强度，考虑节点支座部位出现的应力集中与实际受力存在一定差异，忽略这一差异的影响，说明该节点在大震作用下钢材未达到屈服强度，满足大震作用下关键构件抗弯抗剪不屈服的性能目标。与斜柱相连的Y向的框架梁根部存在mises应力超过屈服强度的情况，但依然能够满足性能水准3规定的“不超过材料最小极限强度”的要求。

4 斜柱相连楼板应力分析

由于斜柱的存在，斜柱层及相邻上下层楼板将承担斜柱产生的一部分水平力，楼板受力较为复杂。地下室顶板厚度为250mm，1-2层楼板厚度为120mm，混凝土强度等级采用C35（fc=16.7Mpa，ft=1.57MPa），钢筋采用HRB400。楼板单元采用膜单元计算分析斜柱相关层楼板平面正应力分布如下：

图8 第1层楼板平面正应力Sx

图9 第1层楼板平面正应力Sy

图10 第2层楼板平面正应力Sx

图11 第2层楼板平面正应力Sy

由图可知，斜柱相邻下层楼板（1 层）存在较大的X向拉、压应力，应力峰值出现在各柱边，KZ1 附近最大拉压应力分别为1.4Pa、-1.1MPa，KZ2 附近最大拉压应力分别为1.3MPa、-1.4MPa，应力值向着斜柱外侧逐渐减小，在进行楼板配筋计算时应予以考虑；斜柱相邻上层楼板（2 层）存在较大的X向拉应力，拉应力峰值出现在各柱边，分别为6.2MPa（KZ1 附近）、6.4MPa（KZ2附近），应力值向着斜柱外侧逐渐减小；最大拉应力大于混凝土抗拉强度标准值1.57MPa，该层楼板应采用1370mm²/m的加强钢筋。

5 斜柱结构加强措施

本文以工程中钢框架斜柱结构为例，研究了斜柱节点受力特点及其对相连结构构件、楼板受力性能的影响[3]。通过分析，该工程中斜柱范围内框架梁柱及楼板均能满足结构安全要求，为进一步满足性能目标设计要求，斜柱层加强措施如下：①加强与斜柱上下层相连的梁截面，按拉弯、压弯构件复核梁承载力。②斜柱节点区域通过增加斜柱壁厚可有效减小节点应力水平，为大震作用下的性能目标储备一定的安全度。③提高斜柱上下层楼板板厚配筋，采用板底顺肋方向附加底筋，板顶双向拉通配筋，同时提高斜柱附近受拉方向楼板配筋率。