某框架—核心筒高层办公建筑斜柱结构设计

刘 顺 胡 亮 何守民

(深圳市建筑设计研究总院有限公司合肥分院，安徽 合肥 230000)

0 引言

随着现代城市化的不断发展，建筑的造型也趋向更加多元化、复杂化。高层建筑的立面造型不仅需要符合城市的周边环境，建筑的造型与城市的规划定位和相邻的建筑造型也要相匹配。带有斜柱的建筑能较好的实现建筑独特的立面效果要求，在国内外的著名建筑中屡有出现，但此类结构与普通垂直竖向构件的受力相比，结构传力途径更加复杂，且相关规范对此类结构未给出明确的设计方法和加强措施，鉴于以上问题，文章以某框架—核心筒高层建筑斜柱结构的设计为例，从多方面介绍此类结构在设计中需要特别注意的关键点。

1 工程概况

本工程地上21层，地下1层，其中地下1层层高为5.1 m，首层层高5.4 m，5层层高5.1 m，其余层均为4.2 m，结构主体地上高度90.3 m，本工程采用的结构形式为框架—核心筒结构。

本工程所在地位于合肥市，主要设计基本数据详见表1。

表1 基本设计数据

本工程建筑功能为科研办公楼，由于2层东侧为入口大厅(见图1)，存在两层通高布置，结构存在楼板大开洞形成的跃层柱；建筑立面四周外围护均为玻璃幕墙，其中西北角幕墙在局部楼层为扭曲向上造型(见图2)，导致西北角角柱需要根据外立面幕墙造型变化沿着X向以斜柱形式存在，具体倾斜楼层范围为6层～14层向主楼内侧倾斜(倾斜角度7.97°)，14层～20层朝向远离主楼方向倾斜(倾斜角度10.58°)，其余楼层为垂直柱(见图3)。

综上所述，本工程主要存在的不规则项为楼板局部不连续以及角部斜柱，并且实际结构计算过程中未出现其余不规则项。针对楼板大开洞，常规加强措施主要为加强洞口周边的板厚及梁板配筋等处理措施，文章主要针对斜柱设计进行详细介绍。

2 斜柱设计

2.1 斜柱对整体结构指标的影响

为分析角部斜柱对本工程单体整体指标的影响，本工程采用YJK软件对斜柱模型A和按正常垂直角柱建模的模型B进行指标统计比较。模型A和B的主要设计指标详见表2，从表2可以看出，主要指标中X向、Y向的周期、楼层最大位移角以及楼层受剪承载力的比值基本一致，说明本工程斜柱由于倾斜角度不大，且倾斜柱的根数仅一根，斜柱的竖向斜撑的作用不强，对整栋楼的结构刚度影响不明显。结构设计时，应针对斜柱本身进行加强处理，并对于斜柱相连的结构构件进行加强。

表2 模型A与模型B主要计算指标比较

2.2 斜柱与普通垂直柱内力的变化

本工程斜柱作为角部重要传力竖向构件，斜柱对竖向荷载的传递需要谨慎对待。因此，分别选取斜柱下段向内倾斜段楼层、斜柱上段向外倾斜段楼层以及斜柱倾角变换处楼层与模型B比较相同楼层斜柱与按垂直柱建模情况下的轴力变化，选取标准组合“恒+活”工况进行相同楼层柱底轴力对比。

根据以上原则，选取楼层分别为第9层、14层(角度变化楼层)、17层柱底轴力进行对比，具体详见表3，根据表3中相应楼层柱底轴力的对比可以发现，模型A斜柱和模型B垂直柱建模的柱底轴力相差不大，模型A的相应楼层斜柱柱底轴力相比模型B柱底轴力略大，主要原因是模型A由于斜柱布置原因，相应跨次梁布置与模型B略有差别，柱受荷面积与模型B相应柱的受荷面积略有差别，通过相应楼层柱底轴力的对比，可以说明由于本工程斜柱倾斜角度较小，柱竖向轴力相对垂直柱模型变化不大。

表3 恒+活工况下模型A,B柱轴力对比 kN

3 针对斜柱的加强措施

根据以上分析，本工程斜柱角度较小，对整体的结构指标和竖向轴力的影响不大，但是考虑到本工程为高层建筑，斜柱位于结构较为重要的角部位置，应对斜柱采取一定的计算和构造加强措施。基于以上情况，本工程主要针对斜柱采取时程分析法进行多遇地震下补充计算、针对斜柱进行抗震性能化设计以及针对关键楼层节点进行加强处理。

3.1 弹性时程分析补充验算

依据规范[1]的相关规定，运用YJK软件弹性时程分析模块对本工程进行多遇地震下的时程分析补充计算。按地震选波三要素频谱特性、加速度有效峰值以及持续时间，选用3条地震波：其中1条人工地震波ArtWave-RH4TG035；两条按工程场地类别和设计地震分组选用的实际地震波Livermore-01_NO_216和Chi-Chi，Taiwan-06_NO_3283。结构在地震波作用下的楼层剪力曲线如图4，图5所示。

根据计算每条波时程曲线计算所得的结构底部剪力不小于反应谱法结果的65%，且3条地震波下的时程曲线计算所得的结构底部剪力的平均值不小于振型分解反应谱法结果的80%。根据X向，Y向最大楼层剪力曲线可知，在15层以下，X向，Y方向时程反应曲线所得的剪力值均小于振型分解反应谱曲线下对应的楼层剪力，顶部楼层的剪力值超出振型分解反应谱所得的楼层剪力，考虑此部分楼层地震剪力一般较小，且经过实际计算发现，顶部楼层的墙柱配筋一般较小且均为构造值。分析表明，本工程反应谱分析所得的层剪力在多遇地震(弹性阶段)对结构计算起主要控制作用。

依据以上分析结果，且综合考虑斜柱位置的重要性，本工程对15层及以下楼层均采取对振型分解反应谱法计算所得的地震作用放大1.1倍，其余上部楼层均按实际时程分析法所得的放大系数对多遇地震下地震作用进行放大。

3.2 性能化设计

本工程斜柱倾斜段的楼层占总楼层比重较大，斜柱所处的结构位置较为重要，本工程采取对斜柱及与其相连的倾斜方向的框架梁进行结构性能化设计。依据规范[2]的相关规定，按照规范基于结构抗震性能的设计方法，首先需要确定结构的抗震性能目标，结合本工程抗震设防类别、结构的重要性、设防烈度及场地条件等，按规范[2]第3.11.1节确定采用性能目标C。根据设定的性能目标，确定主要关键构件性能化设计参数及指标，如表4所示。

表4 主要关键构件性能化设计参数及指标

通过对斜柱的抗震性能化设计，提高了构件截面的承载能力安全度、延性变形能力，并且依据性能目标的设置，确保了关键构件斜柱的强剪弱弯，使其有一定的安全储备。

3.3 斜柱特殊楼层节点的加强措施

本工程斜柱的倾斜方式为先内收后外扩，不易在下部楼层处产生水平拉力，相对于先外扩后内收的斜柱形式更为有利。但是，由于下层柱柱顶和上层柱柱底柱轴力存在一定差别，需要对楼层处节点进行详细的分析设计。因此，分别取斜柱下段第9层(内收段)、斜柱上段第17层(外扩段)以及斜柱倾斜方向变化楼层第14层的梁柱节点在目标内力Nmax(如表5所示)下的受力进行受力分析。

表5 斜柱目标组合Nmax下的楼层上下柱端轴力

结合本工程斜柱在第9层/14层/17层的节点受力形式(如图6所示)，可知各楼层柱自身轴力产生的水平分力分别为：第9层为(15 673.7-14 802.2)×cos82.03°=120.84 kN；第14层为11 367.1×cos82.03°+10 715.8×cos79.42°=3 543.61 kN；第17层为(8 170.8-(6 981.6)×cos79.42°=218.35 kN。根据图6各楼层柱自身轴力分别在斜柱内收楼层第9层和倾斜方向转换层第14层产生对相应层结构向内的压力，在斜柱外扩楼层第17层对该层结构产生向外的拉力，且经过计算可知，下部内收段和上部外扩段产生的水平分力均较小，对相应楼层产生的影响较小，而斜柱倾斜方向转变楼层第14层，斜柱对相应楼层产生的水平分力较大，应该予以重视。

结合以上分析及本工程自身特点，需要对相应的楼层采取必要的加强措施。其中，对于下部内收段和上部外扩段考虑楼层处柱内力变化对相应楼层产生的影响较小，采取对斜柱所在跨梁板配筋加强的措施予以加强，并且在第6层斜柱倾斜起始端和第20层斜柱倾斜末端对斜柱和与其相连的倾斜方向框架梁采用型钢混凝土梁柱进行加强，且考虑斜柱对与其相连的X方向框架梁具有一定的压(拉)作用，本工程，对与斜柱相连的X方向各楼层框架梁配筋设计时均按照满足规范对压(拉)弯构件纵筋最小配筋率的要求配置纵向钢筋，且采取加大抗扭钢筋直径、箍筋加密的措施进行加强。另外，对于第14层，考虑斜柱对该层结构产生相对较大的水平压力，结构设计时，除采取以上措施外，对该层与斜柱所在跨采取加大楼板厚度的措施进行加强，该跨楼板厚度均按150 mm，配筋双层双向拉通设置，该跨楼板实际配筋率达到0.35%，以此减小楼板应力。

4 结语

斜柱的合理运用能够解决各种类型的高层建筑对于立面效果的追求，但是需要针对相应的斜柱类型对结构进行加强。结合实际工程，文章主要介绍了先内收后外扩斜柱在设计过程中需要注意的事项和相关的加强措施。斜柱结构的受力主要取决于斜柱的倾斜位置、方向及角度大小，需要特别注意斜柱对整体结构指标的影响，尤其是结构刚度、周期和位移的影响，另外对于斜柱对楼层产生的水平方向分力也应该引起特别注意，不仅对斜柱本身采取加强措施，还应对受其影响较大的梁板构件采取相应的加强措施。