欧式斜柱造型建筑设计

［择要］ 对某底部斜柱转换的高层建筑构造进行整体构造剖析、多遇地震浸染下的弹性时程剖析以及罕遇地震浸染下的动力弹塑性时程剖析，并对斜柱对构造整体的影响、斜柱传力、斜柱层楼板应力以及斜柱节点设计进行了专项剖析。
根据打算剖析，对关键构件及部位从打算和布局两方面采纳加强方法，使构造整体及各构件的抗震性能均能达到设计的预期目标。

［关键词］ 高层建筑; 斜柱转换; 构造剖析; 节点有限元剖析

随着城市培植的不断发展，建筑园地的利用条件变得日益繁芜，采取斜柱转换的高层建筑越来越多。
斜柱转换能有效办理竖向构件无法直接落地的问题，知足建筑园地的限定条件，但由于此类构造属于竖向构件不连续、受力较繁芜的不规则构造，构造受力存在分外性。
本文通过先容某底部斜柱转换的超高层构造的打算剖析与设计过程，对该类型构造的设计要点进行论述。

项目位于广州市天河区临江大道与广州大道交界处，总用地面积约1. 3 万m2，总建筑面积约12. 8万m2，个中地上约10. 0 万m2，地下约2. 8 万m2。
地下3 层，紧张为车库、设备房及人防地下室; 地上共有两栋塔楼: 北塔高150m，为34 层办公塔楼，个中11 层及23 层为避难层; 南塔高120. 6m，为28 层办公塔楼及商业裙房，个中12 层及24 层为避难层。
两栋塔楼标准层层高均为4. 2m。

两塔楼构造体系均为钢筋混凝土框架-核心筒构造，底部楼层采取钢管混凝土柱。
因园地东侧用地范围内有市政排洪渠，导致两塔楼东侧一跨无法落地，构造上采取斜柱转换。
项目总平面图、建筑效果图、范例剖面图见图1～3。

2. 1 设计参数

工程设计利用年限为50 年，建筑构造安全等级为二级，构造主要性系数为1. 0。
50 年重现期的基本风压值为0. 50kN/m2，地面粗糙度种别为B 类;北塔与南塔风压体型系数分别取1. 4 和1. 3，并考虑高层建筑相互滋扰系数1. 1。
建筑构造抗震设防种别为丙类，抗震设防烈度为7 度，设计基本地震加速度为0. 10g，设计地震分组为第一组［1］，园地种别为Ⅱ类; 阻尼比: 多遇地震下取0. 05，设防地震下取0. 055，罕遇地震下取0. 060。

2. 2 构造体系与支配

北塔、南塔标准层构造平面支配如图4，5 所示。
由于市政排洪渠的限定以及建筑功能的哀求，本项目的塔楼构造支配具有以下特点:

( 1) 底部斜柱转换。
东侧市政排洪渠处两塔楼柱均不能落地，采取超过4 层的斜柱转换，两塔楼斜柱均支配于3 ～ 7 层，北塔斜柱与水平面夹角为65. 9° ( 图6) ，南塔斜柱与水平面夹角为63° ～66. 8°。

( 2) 顶部退台: 南、北塔顶部因建筑造型须要层层退台，该区域每层均存在局部梁式转换。

( 3) 通高大堂: 北塔在西侧有多个两层通高的中空大堂，南塔的标准层在南侧有3 个六层通高的中空大堂。

3. 1 构造超限情形

北塔超限情形见表1，其一样平常不规则超限情形为2 项，旋转刚度偏弱，高度未超过B 级高度限定，属于B 级高度的一样平常超限工程［2］。

南塔超限情形见表2，其一样平常不规则超限情形为5 项，高度未超过A 级高度限定，属于A 级高度的一样平常超限工程。

3. 2 性能目标

针对本项目构造特点，设计时采取了基于性能化的抗震设计方法，抗震性能目标选为C 级［3］: 频遇地震浸染下知足性能水准1 哀求; 设防地震浸染下知足性能水准3 哀求; 罕遇地震浸染下知足性能水准4 哀求。
由于斜柱及相连的楼面梁共同承担上

部楼层荷载，为关键构件，哀求做到大震不坏或轻微破坏。
别的关键构件还包括底部加强区剪力墙、首层柱及上部转换梁。

3. 3 针对超限采纳的紧张方法

针对本项目的构造特点，采纳了以下除常规手段以外的方法。

3. 3. 1 打算加强方法

( 1) 对斜柱传力、斜柱转换层处的楼板应力进行了专项剖析。
个中楼面拉压梁设计内力不考虑楼板浸染; 拉压层楼板按弹性板剖析; 并考虑竖向荷载与常遇风荷载工况下的抗裂设计。

( 2) 斜柱转换对整体构造受力的影响进行了专项剖析。

( 3) 打算竖向地震浸染并包络配筋。

( 4) 斜柱迁移转变处的干系受拉梁按平面节点平衡力进行构件设计复核。

( 5) 斜柱节点进行了有限元剖析。

3. 3. 2 布局加强方法

( 1) 底部斜柱层以下的剪力墙、框架柱、斜柱及与斜柱相连的楼面梁抗震等级提高一级。

( 2) 北塔核心筒东西向剪力墙内在斜柱层及以下各层设置钢斜撑以提高核心筒的抗剪能力及延性。

( 3) 斜柱干系层的核心筒东西向墙内在楼面标高处设置型钢暗梁以通报因斜柱产生的水平力。

( 4) 斜柱干系层( 3 ～ 6 层) 楼面梁按偏压( 偏拉) 构件设计; 斜柱顶层( 7 层) 靠近斜柱的两跨采取钢梁; 楼板加厚为200mm，根据中震应力配筋，并复核竖向荷载标准值下的裂痕打算配筋［4］。

4. 1 弹性剖析

本工程为繁芜高层构造，采取SATWE 和ETABS 软件进行了多遇地震浸染和风荷载浸染下

的整体内力及位移打算，打算假定上部构造嵌固于

地下1 层楼板处，并考虑旋转耦联振动、单向地震时

有时偏幸的影响。
以北塔为例，地震浸染下其层间

位移角和楼层剪力曲线见图7，8。

打算结果表明: 1) 地震及风荷载浸染下构造最大层间位移角均小于规范限值; 2) 旋转周期频年夜于0. 85，旋转刚度偏弱; 3) 构造在地震浸染下与在风荷载浸染下总剪力相称，均起掌握浸染; 4) X 向层间位移角在斜柱层有突变，解释斜柱能一定程度地增大整体构造的抗侧刚度，设计时需对斜柱相邻层构造进行加强。

4. 2 弹性时程剖析

弹性时程剖析采取SATWE 软件，选取TH010TG035，TH053TG035 和TH073TG035 三条天然波，其峰值加速度按7 度多遇地震的35cm/s2 进行调度。
以北塔为例，时程剖析打算所得基底剪力见表3。
各条地震波打算的基底剪力及其均匀值均知足规范［1］哀求。

由打算结果可知，时程剖析的三条地震波浸染下的层间位移角包络值与反应谱法的打算结果附近，且小于规范限值1 /650［3］( 图9) 。
楼层剪力方面，部分楼层时程剖析的剪力包络值大于反应谱法打算值( 图10) ，设计时对这些楼层的反应谱法打算的楼层剪力进行放大。

4. 3 弹塑性时程剖析

采取SAUSAGE 软件进行了罕遇地震浸染下的动力弹塑性剖析。
剖析采取三条天然波( case-1，case-2，case-3) ，主次方向地震波峰值加速度比为1 ∶ 0. 85，主方向峰值加速度均按7 度罕遇地震的220cm/s2 进行调度。
各条地震波浸染下北塔构造的基底剪力及最大层间位移角见表4，在罕遇地震浸染下构造发生局部开裂及屈从，构造整体刚度退化，底部斜柱及相连的楼面拉压梁均未破坏，知足大震不坏的性能哀求。
大震弹塑性剖析的基底剪力包络值与小震弹性时程剖析基底剪力包络值的比值γ在3. 0～5. 5 之间，处于合理范围。
罕遇地震下最大层间位移角包络值为1 /204( X 向) 和1 /187( Y 向) ，知足大震下性能目标哀求。

5 专项剖析

5. 1 斜柱对整体构造影响剖析

为研究斜柱转换对整体构造性能的影响，采取YJK 软件打算了南塔、北塔⑩轴框架柱直落地面的无斜柱比拟模型。
以北塔为例，有、无斜柱转换模型整体打算结果见表5。
由打算结果可知，有斜柱转换的模型和框架柱直落地面的模型在周期、层间位移角、位移比等整体构造参数方面差异不大，可见斜柱转换对整体构造的打算指标影响有限

5. 2 斜柱传力剖析

斜柱在竖向力浸染下产生较大的水平力分量( 图11，图中N1 ～ N4 表示各柱轴力。
) ，有必要进一步剖析斜柱对楼面梁的受力影响。
为研究斜柱干系楼层处楼面梁的受力情形，采取YJK 软件进行了等效弹性打算，模型打算

不考虑楼板浸染( 斜柱干系的4～7 层楼板采取弹性膜单元并将板厚设为0) 。

以北塔L 轴、M 轴构件为例，不同荷载组合浸染下轴力分布见图12，13。
个中D+L 表示竖向荷载( 恒荷载+活荷载) 浸染。
由图可知，斜柱转换受力存在以下规律:

( 1) 在与斜柱相连的楼面梁中，位于斜柱底层( 3 层) 的楼面梁产生了较大的压力，随着楼层的上升梁压力迅速减小并转变为拉力，且在斜柱顶层( 7层) 梁拉力达到最大值。
以○M 轴D+L 浸染下的内力分布为例，3 层梁压力为10 477kN，7 层梁拉力为6 490kN。

( 2) 与核心筒剪力墙直接相连的斜柱( ○M 轴、○N 轴) 传力直接，该处的楼面梁轴力较大; 而边跨( ○L 轴、○P 轴) 的斜柱水平力则需通过楼面斜撑、梁等通报，因此单根梁的轴力较小。

( 3) 与斜柱相连的楼面斜梁能显著分担斜柱产生的水平力。

( 4) 斜柱干系梁在竖向荷载( D+L) 浸染下的内力明显大于其在水平和竖向中震浸染下的内力。
可见，斜柱及干系梁的内力紧张由竖向荷载产生。

根据楼面受力特点，设计采取如下方法: 1) 斜柱底层与斜柱相接的梁及别的干系梁以抗压为主，采取钢筋混凝土楼面梁并按偏压构件设计，同时提高干系区域楼面梁、板混凝土强度等级为C45; 2) 边跨斜柱均设置与核心筒连接的斜梁以便能直接传力至核心筒，斜梁按拉弯、压弯构件设计; 3) 斜柱顶层楼面梁拉力较大，斜柱跨及相邻跨采取钢梁，钢梁面楼板采取钢筋桁架楼板。

5. 3 斜柱层楼板应力剖析

斜柱受竖向力时在板内产生较大的水平力分量，为研究斜柱干系楼层的楼板应力状态，采取YJK软件进行了等效弹性打算，楼板采取弹性膜单元。
由打算结果可知，斜柱转换干系楼面应力分布有以下特点: 1) 斜柱底层及顶层楼板( 斜柱迁移转变处) 的干系楼面应力较大，斜柱中间层楼板应力较小; 2) 斜柱干系层楼板在竖向荷载( D+L) 浸染下的应力明显大于其在中震浸染下的应力，在10 年重现期的常遇风荷载浸染下楼板应力较小( 约为D+L 下的1%) ，见图14，15。
由图14 可知，楼板拉应力约0～4MPa，靠近斜柱跨时逐渐变大。
在斜柱梁时应力集中，最大应力约7MPa。

根据楼面受力特点，设计采取如下方法:

( 1) 斜柱底层( 3 层) : 与斜柱相邻的2 跨楼板厚度加厚为200mm，本层别的板厚为150mm，并双层双向配筋，单层单向配筋率不小于0. 25%。

( 2) 斜柱中间层( 4 ～ 6 层) : 楼板厚度均加强为150mm，并双层双向配筋，单层单向配筋率不小于0. 25%; 对局部拉应力较大区域按裂痕打算配筋。

( 3) 斜柱顶层( 7 层) : 本层楼板加厚为200mm;斜柱楼板按应力配筋，并复核荷载标准值下的裂痕宽度打算。

5. 4 斜柱转换节点剖析

斜柱转换节点为关键的传力部位，其传力的可靠性需重点关注。
以斜柱顶层节点为例，节点钢材采取Q345GJC，楼面钢梁通过钢环板与斜柱连接; 上柱与斜柱采取对接焊连接，节点底的钢管吊柱则通过相贯坡口焊缝连接，并在节点范围内设置管内竖向加劲板，如图16 所示。

为了验证该斜柱转换节点通报水平力的可靠性，采取通用有限元软件ABAQUS 对该节点进行有

限元剖析［5］。
该节点以受拉为主，不考虑钢管内混凝土的有利浸染; 构件采取弹塑性材料仿照; 采取四面体10 节点单元( C3D10) 。
有限元仿照结果见图17。
由图17 可以看出，在中震浸染下，节点区域范围内的von Mises 应力水平紧张处于200 ～ 250MPa之间，均未超过材料强度设计值，节点区域未发生屈从，可见节点布局传力可靠、有效。

6 结论

本工程为底部斜柱转换的超限高层建筑，采取了两个不同的空间程序进行整体构造比拟剖析，补充了多遇地震浸染下的弹性时程剖析以及罕遇地震浸染下的动力弹塑性时程剖析，并对中震浸染下的斜柱传力、斜柱层楼板应力、斜柱转换节点等进行了专项剖析。
打算结果表明，本项目竖向构件虽存在斜柱转换，但刚度变革较均匀，构造传力路径大略明确，各项指标知足干系规范哀求。
根据打算结果和观点设计方法，对关键构件和薄弱部位从打算和布局两方面采纳方法进行加强，确保了整体构造及各构件的抗震性能均能达到设计的预期目标。

［1］ 建筑抗震设计规范: GB 50011—2010［S］． 2016 年版．北京: 中国建筑工业出版社，2016．

［2］ 高层建筑混凝土构造技能规程: JGJ 3—2010［S］． 北京: 中国建筑工业出版社，2011．

［3］ 高层建筑混凝土构造技能规程: DBJ 15-92—2013［S］．北京: 中国建筑工业出版社，2013．

［4］ 混凝土构造设计规范: GB 50010—2010［S］． 2015 年版．北京: 中国建筑工业出版社，2015．

［5］ 林瑶明，周越洲，方小丹，等． 贵阳国际金融中央1 号楼超限高层构造设计［J］． 建筑构造，2019，49( 5) :58-64．

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