轉載自建築結構《斜柱對框架-核心筒結構的影響》作者：餘中平， 王錦文， 張梅松， 黃雪超

［摘要］ 由于建築立面造型的需要，結構在上部樓層需要實現豎向整體内收，基礎頂 ～ 5 層、8 ～ 12 層、18 ～ 22 層和28～ 32 層采用斜柱，采用 YJK 軟件對比分析斜柱方案和轉換方案對結構整體指标的影響，同時分析斜柱對結構梁闆和核心筒的影響。結果表明，斜柱能夠增加結構的整體剛度，同時對梁闆産生拉力，應對斜柱起始處梁采取增設型鋼和闆加大配筋等措施保證水平力的傳遞，并應加強節點構造，使節點構造滿足節點後于構件破壞。

［關鍵詞］ 斜柱; 梁拉力; 樓闆應力; 節點分析; 框架-核心筒結構

為了滿足建築外立面的需要，斜柱在高層建築中運用的越來越廣泛，然而現行的規範中對于斜柱的計算和要求暫時沒有明确的規定。劉澤坤等［1］通過對斜柱及與其相連水平構件的分析，總結出斜柱結構設計中的注意事項。謝移愛等［2］以廣東商學院圖書館工程為背景，分析了傾斜結構的樓闆應力，得到樓闆在豎向荷載作用下會産生較大拉應力，形成拉彎構件，需采取必要的加強措施。王洪欣等［3］以深圳前海世貿中心為例，采用有限元軟件ABAQUS 對結構樓闆的受力情況進行分析，得到斜柱框架-核心筒結構的樓闆不僅在恒荷載、活荷載作用下産生較大的内力，豎向構件差異變形和外框斜柱對樓闆的受力也有較大影響。

本文以華強金融大廈為例，采用 YJK 軟件和有限元軟件 ABAQUS 分析斜柱對結構整體剛度的影響及斜柱起始層梁闆受壓或受拉的問題，最終通過分析，為以後斜柱項目設計提供設計思路和參考加強措施。

某項目規劃總建築面積 92 444. 19m2，其中地上 68 795. 65m2，地下 23 648. 54m2，由裙房公共配套、超高層辦公樓和局部商業組成，地下 4 層，塔樓地上 39 層，建築高度 178. 95m，結構三維模型見圖1，結構平面布置見圖 2。工程的設計基準期為 50年，結構安全等級為二級，抗震設防烈度為 7 度［4］，設計基本地震加速度為 0. 10g，設計地震分組為第一組，場 地 類 别 為 Ⅲ 類 場 地，場地特征周期為0. 35s。50 年一遇基本風壓［5］ 為 0. 75kN/m2，地面粗糙度類别為 C 類。

本工程采用框架-核心筒體系，為 B 級高度的超高層建築［6］，由于建築立面造型的需要，結構在上

圖 1 結構三維模型圖

圖 2 結構平面布置圖

部樓層需要實現豎向整體内收，部分樓層采用斜柱，斜柱變化見圖 3，結構高寬比為 4. 34，核心筒高寬比為 8. 90。由于結構首層樓闆有大開洞，結構嵌固端取為地下 1 層底闆。本項目存在樓闆不連續、局部躍層柱和斜柱 2 個不規則項。

在方案階段，通過 YJK 軟件對采用斜柱和轉換柱實現建築外形内收的兩種結構模型進行了分析與對比，結構主要指标對比見表 1～ 3。由表 1 ～ 3 可以看出，結構前三階周期基本一緻，表明采用斜柱或轉換柱對結構周期無太大影響，主要是結構體系未發生變化; 風荷載作用下結構基底剪力基本一緻; 斜柱模型結構整體剛度大、基底剪力大、層間位移角小，與表中數據結果表現一緻。通過對比可以看出，結構采用斜柱優于采用轉換柱，故施工圖采用斜柱方案進行設計。

4. 1 斜柱對樓層梁和核心筒的影響

為了真實反映樓層梁軸向拉力和壓力，對模型進行了偏于安全的處理: 斜柱範圍内樓闆厚度為 0，不考慮樓闆的任何作用，完全由梁承擔内力，設計時樓闆僅作為安全儲備。通過分析可知，梁最大拉力出現在 5 層，最大壓力出現在 12 層，中震下梁傳力及軸力圖如圖 4 所示，梁在小震、中震和大震作用下軸力和彎矩統計見表 4。對于軸向受力的梁，采用在梁内設置截面為 H350×200×20×20 的 Q345B 型鋼［7-8］抵抗軸向力，各構件均滿足中震彈性的性能目标要求; 對應位置牆内設置型鋼暗梁以滿足受力

圖 3 斜柱局部布置圖

性能需求。

通過梁的 N-M 曲線( 圖 5) 可知，材料強度使用設計值時，梁依然能夠滿足中震和大震作用下受力需求，梁受力性能是可靠和安全的。

4. 2 斜柱對樓闆的影響

為了驗證樓闆是否能夠滿足正常使用和承載能力極限狀态的要求，同時保證在地震作用下樓闆有效地傳遞水平荷載和有效協調所連接結構構件的變形，對各層樓闆的應力狀态進行詳細的有限元分析，并針對薄弱部位的樓闆進行構造加強，從而保證了樓闆不會出現較大的裂縫而導緻較為嚴重的剛度退化，得以實現樓闆的抗震性能目标。主要對斜柱底層及頂層( 5，8，12，18，22，28，32 層) 樓闆，進行恒荷載 D 活荷載 L 标準組合作用下的應力分析，斜柱部位樓闆平均主應力見圖 6。斜柱部位的樓闆最大主應力見表 5，樓闆配筋見表 6。

圖 4 中震傳力及軸力圖/kN

圖 5 梁的 N-M 曲線圖

圖 6 樓闆平均主應力示意/MPa

7 節點 JD1 混凝土、型鋼、鋼筋的 von Mises 應力雲圖/MPa

圖 8 節點 JD2 混凝土、型鋼的 von Mises 應力雲圖/MPa

分析可知，斜柱底層處樓闆由軸力産生的拉應力比較大，整體樓闆平均拉應力小于混凝土抗拉強度 1. 5 倍标準值［9］，可确保樓闆不會産生貫通性裂縫; 斜柱頂層處樓闆出現軸向壓應力，壓應力值均小于混凝土的抗壓強度。對這些承擔着很大面内應力的 樓 闆 進 行 加 強，軸向受拉闆塊闆 厚加厚為150mm，雙層雙向通長配筋，每層每向配筋率不小于0. 30%，并在拉應力集中處采取局部加強防裂配筋措施。

對于斜柱關鍵節點，利用 ABAQUS 進行精細有限元分析。由于節點的複雜性，對模型和計算條件進行了必要的簡化: 1) 梁構件主要以彎矩和軸向力為主，杆端輸入彎矩和軸向力。2) 柱以軸向拉壓力為主，杆端彎矩産生的構件邊緣拉壓應力均小于軸向力的 10%，因此節點分析時不考慮彎矩的影響。3) 節點按剛度和受力合理選擇柱底為固定端，其餘肢端按中震彈性組合包絡内力施加。4) 混凝土采用 C3D8Ｒ 線性縮減積分實體單元模拟，鋼結構采用S4Ｒ 縮減積分殼單元模拟，鋼筋采用 T3D2 桁架單元模拟。

5. 1 節點 JD1 分析

以②軸交J軸 5 層斜柱處典型交叉梁節點 JD1為例，○K 軸處 8，12，18，22，28，32 層交叉梁節點基本與節點 JD1 角度有些差異，但内力更小，外框柱與梁連接節點以此處為研究對象。根據 JD1 上柱軸力由節點内力平衡計算求得梁軸拉力為 2 767kN，完全由梁内型鋼承擔，型鋼拉應力為 194MPa，節點有限元考慮混凝土和梁鋼筋等因素影響，兩者結果基本一緻。圖 7 為節點 JD1 混凝土、型鋼、鋼筋的 von Mises 應力雲圖。

通過對節點 JD1 分析可以得出如下結論: 柱内型鋼和梁型鋼節點傳力直接，梁柱内型鋼最大拉應力( 145. 2MPa) 和壓應力( 85. 2MPa) 都小于材料設計強度，鋼筋應力不超過 150MPa，混凝土的壓應力最大為 17. 5MPa，拉應力最大為 2. 54MPa，型鋼混凝土梁部分開裂，主要拉力由型鋼承擔，但型鋼應力約為設計值一半水平，因此混凝土裂縫寬度基本小于0. 3mm，滿足設定的性能目标要求。節點鋼隔闆應力适中，有效加強了節點薄弱部位。繼續加大梁杆拉力，節點構造滿足節點後于構件破壞。

5. 2 節點 JD2 分析

以④軸交H軸 5 層核心筒角部典型交叉梁節點JD2 為例進行此類節點有限元分析。圖 8 為節點JD2 混凝土、型鋼的 von Mises 應力雲圖。通過對 JD2 分析可以得出如下結論: 牆内型鋼和梁型 鋼 節 點 傳 力 直 接，梁内型鋼最大拉應力( 117. 2MPa) 和梁内鋼筋最大拉應力( 271. 7MPa) 都小于材料設計強度，混凝土的壓應 力最大為15. 2MPa，拉應力最大為 0. 82MPa，型鋼混凝土梁部分開裂，主要拉力由型鋼承擔，但型鋼應力約為設計值 1 /3 水 平，因此混凝土裂縫寬度基本小于0. 2mm，滿足設定的性能目标要求。節點鋼隔闆應力适中，有效加強了節點薄弱部位。繼續加大梁杆拉力，節點構造滿足節點後于構件破壞。

( 1) 斜柱方案相比轉換方案而言結構整體剛度大，層間位移角小，斜柱對結構整體受力更有利。

( 2) 在斜柱作用下，斜柱轉折處樓層框架柱傾斜産生的水平力需由樓蓋結構傳遞，對樓闆和框架梁的受拉和受壓提出更高的要求; 斜柱轉折處樓層采用型鋼混凝土梁抵抗拉力，核心筒相應牆暗柱内應增加 H 型鋼、牆内增加型鋼暗梁等措施，有效解決梁内水平力的傳遞; 斜柱轉折處樓層樓闆應加厚并采用雙層雙向配筋，配筋率控制在 0. 30%以上，有效解決闆内水平力的傳遞。

( 3) 應加強節點構造，使節點構造滿足節點後于構件破壞，節點處柱内應配置構造圓鋼管以更好地傳遞節點内力。

參 考 文 獻

［1］ 劉澤坤． 某服務中心斜柱結構設計［J］． 工 程 設 計，2017，7: 216-219．

［2］ 謝移愛，徐其功，鄭美如．傾斜結構的大開洞樓闆應力分析［J］．工業建築，2014，44( S1) : 233-235．

［3］ 王洪欣，馬鎮炎，王錦文，等．某斜柱框架-核心筒結構樓闆受力分析［J］．建築結構，2018，48( S1) : 9-13．

［4］ 建築抗震設計規範: GB 50011—2010［S］．北京: 中國建築工業出版社，2010．

［5］ 建築結構荷載規範: GB 50009—2012［S］．北京: 中國建築工業出版社，2012．

［6］ 高層建築混凝土結構技術規程: JGJ 3—2010［S］．北京: 中國建築工業出社，2011．

［7］ 組合結構設計規範: JGJ 138—2016 ［S］．北京: 中國建築工業出版社，2016

［8］ 鋼結構設計标準: GB 50017—2017 ［S］．北京: 中國建築工業出版社，2018．

［9］ 混凝土結構設計規範: GB 50011—2010［S］．北京: 中國建築工業出版社，2011．

注：本文轉載自建築結構《斜柱對框架-核心筒結構的影響》作者：餘中平， 王錦文， 張梅松， 黃雪超，僅用于學習分享，如涉及侵權，請聯系删除！

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!