帶斜柱建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)與應(yīng)用

撰稿：宗彬彬

　　〔摘要〕維綠大廈為一典型的帶斜柱建筑，通過對其參觀學(xué)習(xí)與研究，將所獲得的知識(shí)運(yùn)用于正處于設(shè)計(jì)階段的帶斜柱建筑觀汶閣中。
　　〔關(guān)鍵詞〕斜柱、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、抗震措施
　　一、引言
　　近年來，隨著人們生活水平的不斷提高，常規(guī)的方方正正的盒子形建筑已經(jīng)不能滿足人們對于建筑美感的追求，建筑物的體型越來越復(fù)雜。其中斜柱建筑以其新穎的建筑立面造型和獨(dú)特的視覺沖擊，深受建筑師的追捧，越來越多的建筑中出現(xiàn)了這種結(jié)構(gòu)形式。這加大了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度。 2016年5月24日單位組織到常州調(diào)研學(xué)習(xí)綠色建筑，其中江蘇常州武進(jìn)綠色建筑研發(fā)中心的維綠大廈是比較典型的帶斜柱建筑，調(diào)研之前先尋找了一些維綠大廈的工程設(shè)計(jì)材料，對其有了一定的了解，待參觀時(shí)有針對性地去查看結(jié)構(gòu)布置，以取得較好的調(diào)研學(xué)習(xí)效果。為目前在處于設(shè)計(jì)階段的帶斜柱建筑觀汶閣積累一些工程經(jīng)驗(yàn)。
　　二、維綠大廈工程概況
　　維綠大廈位于江蘇省常州市武進(jìn)區(qū)，該工程設(shè)計(jì)使用年限50年，結(jié)構(gòu)安全等級二級，工程設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類（丙類），抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場地類別Ⅲ類，特征周期0.45s。采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)主屋面高度36.6m（9層），整體結(jié)構(gòu)形體成V字形，南北立面與地面成80度角，上寬下窄，建筑效果圖和剖面圖如下圖。

三、維綠大廈因帶斜柱而增加的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容
　　1、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析
　　維綠大廈南北側(cè)邊柱均采用斜柱，結(jié)構(gòu)形式為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時(shí)選用兩種空間分析程序（SATWE和PMSAP），采用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行計(jì)算，分析比較多遇地震下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，確保程序計(jì)算的準(zhǔn)確性。
　　維綠大廈局部樓層大面積開洞，在整體模型計(jì)算中取消全樓強(qiáng)制性剛性樓板假定，按實(shí)際狀況對全樓面采用彈性樓板應(yīng)力分析，以考慮樓板剛度對水平位移的影響。采用PMSAP進(jìn)行結(jié)構(gòu)復(fù)核，在多遇地震下計(jì)算樓板的應(yīng)力并將地震作用效應(yīng)與其他荷載效應(yīng)進(jìn)行基本組合，看得出的應(yīng)力值是否超過混凝土抗拉強(qiáng)度應(yīng)力值。
　　相對于直柱，斜柱存在一定的傾斜角度，對柱頂和柱底相連的樓面梁板會(huì)產(chǎn)生一定的水平推力，使樓板平面內(nèi)產(chǎn)生較大的變形。因此，需要對斜柱及與之相連的水平構(gòu)件的受力特征和內(nèi)力進(jìn)行詳細(xì)分析。對薄弱部位采取一定的加強(qiáng)措施。
　　2、抗震構(gòu)造措施
　　維綠大廈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采取的抗震加強(qiáng)措施：1）斜柱抗震等級提高一級；2）斜柱的縱向鋼筋配筋率提高10%，并將柱箍筋做全高箍筋加密處理；3）局部大開洞區(qū)域周邊樓板加厚至150mm，并按配筋率0.25%雙層雙向貫通式配筋，以提高樓面結(jié)構(gòu)的整體剛度。
　　3、立面的細(xì)部構(gòu)造處理
　　斜柱之間的填充墻體，因有一定的角度，不能采用普通磚砌體而選用構(gòu)造柱加拉梁和掛板的形式。


圖三建筑立面（局部）	圖四外側(cè)墻體內(nèi)部構(gòu)造（局部）

　
　　
　　通過對維綠大廈的參觀學(xué)習(xí)與研究，對帶斜柱建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)積累了一定的工程經(jīng)驗(yàn)。
　　四、觀汶閣工程概況
　　觀汶閣項(xiàng)目位于山東省泰安市泰山區(qū)邱家店鎮(zhèn)，該工程設(shè)計(jì)使用年限50年，結(jié)構(gòu)安全等級二級，工程設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類（丙類），抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場地類別Ⅱ類，特征周期0.40s。采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)主屋面高度67.05m（9層），1~3層展廳部分外墻按8.5度內(nèi)收，4~9層觀光塔部分按5.7度內(nèi)收，上窄下寬，建筑效果圖如下圖。

圖五觀汶閣建筑效果圖

　　五、觀汶閣因帶斜柱而擬增加的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容
　　1、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析
　　為了滿足觀汶閣建筑立面的效果，外圍結(jié)構(gòu)柱均采用斜柱。結(jié)構(gòu)整體建模時(shí)，斜柱按實(shí)際情況輸入。由于PMCAD建模方式的局限性，使得柱必須是豎直的，項(xiàng)目中斜柱均采用斜桿建模。斜桿與整體坐標(biāo)Z軸的夾角小于20度時(shí)，SATWE將整體分析時(shí)將把斜桿按照柱進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)算長度系數(shù)按框架柱考慮，即底層1.0，其他層1.25。結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時(shí)擬選用兩種空間分析程序（SATWE和PMSAP），采用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行計(jì)算，分析比較多遇地震下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)。使兩種程序計(jì)算所得結(jié)果均能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，同時(shí)兩種程序的計(jì)算

圖六觀汶閣PMCAD整體模型誤差在可接受范圍之內(nèi)。
　　　觀汶閣2~3層展廳區(qū)域存在較大的開洞，在整體模型計(jì)算中取消全樓強(qiáng)制性剛性樓板假定，按實(shí)際狀況對全樓面采用彈性樓板應(yīng)力分析，以考慮樓板剛度對水平位移的影響。采用PMSAP進(jìn)行結(jié)構(gòu)復(fù)核，在多遇地震下計(jì)算樓板的應(yīng)力，對應(yīng)力集中部位采取加強(qiáng)措施。
　　斜柱產(chǎn)生的水平力對樓板、梁會(huì)有一定的作用，整體計(jì)算時(shí)考慮板平面內(nèi)剛度，將樓板定義成彈性板6。從構(gòu)造要求上，梁按計(jì)算結(jié)果配筋時(shí)，加強(qiáng)梁通長筋，對樓板及梁的裂縫進(jìn)行驗(yàn)算。
　　2、抗震構(gòu)造措施
　　觀汶閣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采取的抗震加強(qiáng)措施：1）斜柱抗震等級提高一級；2）斜柱的縱向鋼筋配筋率提高10%，并將柱箍筋做全高箍筋加密處理；3）局部大開洞區(qū)域周邊樓板加厚至150mm，并按配筋率0.25%雙層雙向貫通式配筋，以提高樓面結(jié)構(gòu)的整體剛度；4）與斜柱相連的梁，加強(qiáng)通長筋，與此梁相連的板，雙層雙向通長配置鋼筋。
　　3、立面墻體的處理
　　觀汶閣1~3層展廳部分，由于層高較高，外墻擬采用掛斜板或各層砌豎直墻外掛石材，待與業(yè)主方協(xié)商后再確定。
對帶斜柱建筑維綠大廈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)到的知識(shí)，較好的運(yùn)用于在手項(xiàng)目帶斜柱建筑觀汶閣中，增加了設(shè)計(jì)的把握和信心。
　　六、結(jié)語
　　帶斜柱結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析時(shí)要充分考慮斜柱傾斜后帶來結(jié)構(gòu)整體剛度、相連水平構(gòu)件受力的影響；對受力復(fù)雜部位應(yīng)通用有限元法進(jìn)行詳細(xì)分析，得出精確受力情況；對薄弱部位采取加強(qiáng)措施。

參考文獻(xiàn)：
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　?、?薛嵩. 某帶斜柱綠色建筑的抗震性能分析.綠色建筑.2015年03期

[個(gè)人簡歷]：宗彬彬，男，學(xué)士學(xué)位，高級工程師，國家一級注冊結(jié)構(gòu)工程師?，F(xiàn)在江蘇省城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。