厦门某超高层筒中筒结构底部Y型柱设计

陈国春

(中元(厦门)工程设计研究院有限公司 福建厦门 361000)

0 引言

随着社会经济的持续蓬勃发展，高层金融办公建筑作为建设单位实力与形象的外在体现，往往除满足其金融办公以及对外运营等诸多要求外，业主对于建筑的立面和平面提出了更高的美学和使用要求。

筒中筒结构体系，由于其具有较强的侧向刚度，成为高层、超高层建筑的主要结构体系之一，但往往因外框柱柱距较小而受到限制。本文以厦门某超高层金融广场为例，通过底部设置Y型转换柱，解决了上述问题，并系统地介绍了Y型柱的力学特点，对重点构件提出设计建议和加强措施，供同类工程的分析设计提供参考。

1 工程概况

该金融广场项目位于厦门市观音山CBD中心，环岛干道东侧、规划中的厦门金融大道上。由4栋办公塔楼(T1～T4楼)及商业裙房组成，有两层地下室和一层半地下室，总建筑面积40.9万m2，地下建筑面积11.2万m2。其中，T3楼共33层(含半地下室层5.4m)，一～三层层高5.4m，标准层层高4.2m，建筑总高度145m。

该工程结构设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为二级，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g，设计地震分组为第二组。场地土类别Ⅱ类，特征周期为0.45s(安评值)，塔楼抗震设防分类为丙类， 50年重现期的基本风压值为0.80kPa，地面粗糙度为A类，风荷载体型系数取为1.4。地下室顶板作为上部结构的嵌固端，塔楼与裙房通过设置防震缝结构单元分开。

2 结构选型与布置

2.1 结构布置

该工程T3塔楼建筑布置为中部设楼电梯、管井及卫生间，其外布置办公空间，结构利用中部楼电梯空间设置剪力墙核心筒，外布置框架柱。从图1可见，建筑立面造型为竖线条，采取建筑外轮廓布置密柱、裙梁形成筒中筒结构形式可行，结构布置如图2所示。

图1 广场效果图

图2 标准层结构布置图(单位：mm)

2.2 结构截面尺寸与计算结果

结构截面尺寸核心筒外围墙厚为400mm～700mm，内部墙厚为250mm～350mm；外框架柱半地下室1300×900mm，1～8层900×900mm，9层以上为800×800mm缩小到800×600mm；外框梁底部500×1000mm、上部500×900mm，混凝土强度等级为C60～C30。采用高层建筑结构分析软件SATWE的计算，计算结果如图3及表1～表2所示。

表1 框架柱剪力比占楼层数比例表

图3 框架柱剪力比曲线图

从图3及表1～表2的计算结果可知：筒中筒结构的各项指标均符合相关规范要求，并且能够形成外周框架与核心筒协同工作的双重抗侧力结构体系，结构抗震的第二道防线合理，利于结构抗震[1-3]。

表2 各方案水平荷载作用下主要计算结果

2.3 Y型柱的提出

筒中筒结构的建筑外轮廓布置密柱，该工程立面效果采用竖线条与外框密柱的布置高度吻合，但底部大堂入口需要较大柱间距才能满足建筑要求，通常采取方案有托柱转换或一柱分叉转换为两柱的Y型柱形式。托柱转换存在竖向构件突变等不利因素，该工程底部采用一柱分叉转换为两柱隔一布置Y型柱的形式。

3 Y型柱受力特点

Y型柱节点处的两根斜杆竖向向下的分力叠加传给下层柱，两根斜杆水平分力于节点处互相平衡抵消，其传力路径明确，该转换形式以构件受压或受拉替代构件受弯、受剪，以承受重力荷载的作用，受力方式更为合理。另外，斜柱转换的转换层与其上下层的刚度比变化幅度较小，因此在水平地震作用下，可以避免结构的构件内力和层间剪力发生突变，有利于结构抗震。

Y型斜柱顶部节点处柱轴力的水平分量由外框梁的轴向水平力平衡，斜柱顶部外框梁产生轴向水平拉力，对混凝土构件十分不利，特别是该工程为超高层，且Y型柱位于大堂挑空区域，存在局部楼板不连续、局部穿层柱、斜柱，需进一步分析和计算。

4 Y型柱内力分析与截面设计

4.1 Y型柱静力分析

分析转换斜柱在外框梁中产生的轴向水平拉力，采用杆系构件简化，于斜柱顶部分别作用一个单位集中力，利用静力结构力学计算，各主要杆件轴力如表3及图4所示。

表3 各角度单元轴力表

图4 Y型柱轴力图

由表3及图4可知，随着Y型斜柱倾斜角度α的增大，斜柱及其顶部相连框梁的应力成递增趋势。其中，斜柱顶部框架梁轴力受斜柱倾斜角度影响尤为明显，随斜柱倾斜角度的增大，斜柱传给中间框架梁的轴力比例也越大。故此，应控制斜柱的角度，避免斜柱的设置对构件产生不利的影响。综合考虑筒中筒结构体系的布置特点和建筑立面的效果，本工程斜柱采用10°布置。

4.2 整体计算

采用SATWE软件进行多遇地震下的整体计算，楼板设为弹性板，择取Y型斜柱顶部梁内力N3(图4)中的各工况下的轴力标准值为：恒载作用1136kN、活载作用275kN、水平地震作用330kN、风荷载作用222kN。根据《混凝土结构设计规范》[2]，混凝土构件的正截面轴心抗拉强度标准值：

Nt=ft·A

(1)

按照式(1)计算，混凝土标号C35框架梁500×1000的抗拉强度标准值Nt为1100kN，小于荷载作用效应，此时混凝土不足以承担轴向拉力，且小于永久荷载作用值，在工程设计中应予以重视。

4.3 节点应力分析

采用细部分析通用有限元软件Midas FEA V3.6对Y型柱进行细部实体分析，分别建立混凝土、型钢及钢筋3种部件，综合考虑各材料部件的共同作用。模型中将Y型柱底设为固端，提取SATWE各杆件的内力结果，按照1.0D±1.0L的不利组合，并将组合值分别施加于各截面处，材料、截面等均与PKPM模型一致。Y型柱及局部节点有限元计算结果如图5所示。

图5 X向主应力图

通过细部有限元分析结果可知，底层Y型斜柱中各横梁均承受不同程度的拉应力。其中，Y型柱节点处承受了一定的拉应力，Y型斜柱顶部中间框架梁承受较大拉应力，最大拉应力约为28MPa，已超过框梁的混凝土的抗拉强度设计值。

4.4 Y型斜柱的屈曲分析

该建筑二层大堂局部挑空，底部Y型斜柱属于穿层柱，高度为10.8m，在进行结构计算分析时，针对Y型柱采用PMSAP软件对结构进行线性屈曲分析，前6阶屈曲因子如表4所示。计算结果表明，Y型斜柱承载力有较大富余，其结构安全可得到保证。

表4 结构前6阶屈曲因子

4.5 Y型柱的截面设计

通过对Y型柱的受力特点及内力的计算和分析可见，Y型柱的节点、Y型斜柱顶部梁柱节点及Y型斜柱顶部中间框架梁均承受较大的拉应力，且Y型斜柱顶部中间框架梁承受的拉应力超过钢筋混凝土强度的标准值。为避免斜柱顶部中间框架梁及梁柱节点的轴向拉力对构件产生不利影响，该工程底部框架柱及其与Y型柱相交的外框架梁均采用型钢混凝土，且轴向拉力均由型钢承担，以保证结构内力有效传递。

5 Y型柱设计的构造措施

该工程Y型柱位于底部大堂挑空区域，Y型柱高度内存在局部楼板不连续、局部穿层柱、斜柱等结构不规则项，为保证结构安全，该工程在底部Y型柱设计时采取了以下加强措施：

(1)底部Y型柱区域及其上一层共4层高度21.2m设为底部加强区，同时，底部框架柱及其与Y型柱相交的外框架梁均采用型钢混凝土。

(2)Y型柱与穿层柱的正截面承载能力和斜截面承载力均按中震弹性复核，塔楼底部加强区其余竖向构件的正截面承载能力按中震不屈服复核，斜截面承载力按中震弹性复核。

(3)为保证底层框架柱的延性，严格控制框柱的轴压比不高于0.5，控制框架柱截面的剪应力水平。

(4)开大洞的二层楼板均设为全层弹性板，板厚为150mm，采用双层双向配筋。

6 结论

(1)筒中筒底部柱采用Y型柱转换结构合理可靠，设计应注意斜柱倾斜角度的控制，计算时Y型柱转换区域的楼层应设为弹性板。

(2)Y型柱的节点实际受力非常复杂，其局部应力较大，工程设计中应给予重视。

(3)Y型斜柱顶部梁柱节点及Y型斜柱顶部中间框架梁均承受较大的拉应力，设计应复核Y型斜柱顶部中间框架梁承受的拉应力是否大于钢筋混凝土梁的应力标准值，并采取可靠措施确保结构的安全。

[1] JGJ 3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2] GB50011-2010 混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3] GB50011-2010 建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.