陳正鋼， 莫鵬程， 張俊偉， 李 洲

(四川省建筑設(shè)計(jì)研究院， 成都 610094)

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錦城南府酒店搭接柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳正鋼， 莫鵬程， 張俊偉， 李 洲

(四川省建筑設(shè)計(jì)研究院， 成都 610094)

文章對(duì)錦城南府酒店工程中采用的搭接柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，通過(guò)與傳統(tǒng)梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)對(duì)比，論證了搭接柱結(jié)構(gòu)具有豎向剛度突變小、傳力明確和經(jīng)濟(jì)合理等優(yōu)點(diǎn)。重點(diǎn)關(guān)注搭接柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析以及結(jié)構(gòu)安全性的保證措施和相應(yīng)的加強(qiáng)措施，對(duì)搭接柱相連上下樓蓋內(nèi)力做了詳細(xì)分析，并給出了搭接柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的性能設(shè)計(jì)要求。

搭接柱； 樓板應(yīng)力； 性能設(shè)計(jì)； 大震不屈服； 轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)； Etabs

搭接柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)作為一種新穎的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換體系，通過(guò)“搭接塊”傳遞上下柱的內(nèi)力，以實(shí)現(xiàn)立面外凸與收進(jìn)，已被較多大型工程采用，代表性建筑如福建興業(yè)銀行大廈[1-2]等。與傳統(tǒng)梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)相比，搭接柱轉(zhuǎn)換具有建筑空間利用率高、受力明確和避免結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度突變等優(yōu)點(diǎn)，尤其對(duì)于高位轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，具有良好的抗震性能。已有的研究表明，搭接柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)如設(shè)計(jì)妥當(dāng)，可具有較大的安全儲(chǔ)備[2]。

1 工程概況

本工程位于成都市天府新區(qū)劍南大道東側(cè)，地下3層主要功能為車庫(kù)和設(shè)備用房；地上28層，1～5層為酒店配套用房，5層以上為酒店客房、避難層、部分辦公。房屋高度111.00 m，采用鋼筋混凝土框架核心筒結(jié)構(gòu)(底部部分樓層框架柱采用型鋼混凝土柱)。

根據(jù)建筑功能要求，外框架柱在24層處內(nèi)收以實(shí)現(xiàn)建筑立面造型，如圖1、圖2所示。為保證高位轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和良好的抗震性能，選用搭接柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)(圖3)。相應(yīng)搭接塊位置如圖4所示，搭接尺寸C=1 750，h=3 900，搭接比例C/h=0.449。式中參數(shù)c、h的意義見圖3。

圖1 建筑效果圖

圖2 建筑立面

圖3 搭接體系示意

上下層柱尺寸分別為700 mm×600 mm、800 mm×800 mm，上下層梁橫截面尺寸分別為600 mm×800 mm、800 mm×800 mm，搭接塊厚度600 mm，搭接塊在平面中的位置如圖4所示。

圖4 23層結(jié)構(gòu)平面布置(單位:mm)

2 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算參數(shù)分析

2.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限50年，安全等級(jí)二級(jí)，抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.10g，設(shè)計(jì)地震分組第三組，建筑場(chǎng)地類別II類，特征周期0.45 s，結(jié)構(gòu)阻尼比0.05。地面粗糙度C類，50年一遇基本風(fēng)壓值0.30 kN/m2。

2.2 結(jié)構(gòu)整體分析

根據(jù)搭接柱的工作機(jī)理，上下樓層樓蓋梁板存在較大的拉壓力，選用Etabs軟件進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)中的樓板應(yīng)力分析，選用SATWE和ETABS兩種結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件進(jìn)行整體計(jì)算分析。兩種軟件周期與基底反力信息見表1、表2。

表1 整體分析周期對(duì)比

表2 基底最大反力

3 搭接柱轉(zhuǎn)換工作機(jī)理

搭接柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)通過(guò)搭接塊傳遞上下柱內(nèi)力，避免了設(shè)置剛度、高度較大的轉(zhuǎn)換梁，以達(dá)到建筑空間利用率高和避免結(jié)構(gòu)豎向剛度突變的目的。以本工程的內(nèi)收型搭接轉(zhuǎn)換為例，其正常工作狀態(tài)下的主內(nèi)力如圖5、圖6所示。為平衡上下柱軸力產(chǎn)生的力偶，與搭接塊相連的上下梁將出現(xiàn)大小相近、方向相反的拉壓力。根據(jù)力的平衡，可近似認(rèn)為T≈NSC/h ，其中，T為搭接塊上下梁的軸向力，NS為搭接塊上柱軸力，因此當(dāng)NS確定時(shí)，搭接比例C/h越大，梁軸力越大；同時(shí)，由于梁板的協(xié)同作用，受拉壓梁附近的現(xiàn)澆混凝土樓板也將出現(xiàn)較大拉壓力。

圖5 搭接塊正常使用狀態(tài)下的斜壓桿內(nèi)力

圖6 搭接塊正常使用狀態(tài)下變形

轉(zhuǎn)換構(gòu)件為結(jié)構(gòu)中的重要受力構(gòu)件，應(yīng)保證在較強(qiáng)地震作用下仍不出現(xiàn)明顯破壞；同時(shí)為保證搭接柱轉(zhuǎn)換體系性能目標(biāo)的統(tǒng)一性，搭接塊、與搭接塊相連上下柱、與搭接塊相連上下梁應(yīng)采用相同的性能目標(biāo)。

4 搭接柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)整體工作性能對(duì)比

為進(jìn)一步了解搭接柱體系工作的優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)本工程，采用了傳統(tǒng)梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與搭接柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體計(jì)算并進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如下:轉(zhuǎn)換梁截面尺寸由剪壓比控制，尺寸為900 mm×3 500 mm，為滿足建筑功能要求，轉(zhuǎn)換梁處的層高達(dá)6 300 mm，造成空間上的極大浪費(fèi)，如圖7所示。

(a)搭接柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)立面 (b)梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)立面 圖7 搭接柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)對(duì)比

較大的層高導(dǎo)致樓層剛度突變，搭接柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)體系與轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)體系在地震作用下的各樓層平均位移如圖8所示。由圖8可知，轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)體系在轉(zhuǎn)換層處出現(xiàn)了較大的位移突變，這對(duì)于結(jié)構(gòu)的抗震性能是極為不利的；而搭接柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)體系層間變形則相對(duì)更加均勻、連續(xù)。

(a)X方向 (b)Y方向圖8 地震作用下樓層位移

由于轉(zhuǎn)換梁對(duì)層高增加較多，使得結(jié)構(gòu)總高度增大，周期也相應(yīng)增加(表3)。

對(duì)于轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)，由于樓層層高的突然變化，使得結(jié)構(gòu)的最小樓層剛度比均出現(xiàn)在轉(zhuǎn)換層處(表4)。根據(jù)JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，本工程的轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)存在側(cè)向剛度不規(guī)則的情況，相比之下，搭接柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)豎向剛度則較為均勻，滿足規(guī)范豎向剛度均勻變化的要求。

因此出于建筑空間的合理利用以及結(jié)構(gòu)合理性角度出發(fā)，本工程選用搭接柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)是較為合理的。

表3 梁式轉(zhuǎn)換與搭接柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)周期對(duì)比

表4 梁式轉(zhuǎn)換與搭接柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)最小剛度比

5 重力荷載作用下的承載力和剛度控制

5.1 搭接塊

應(yīng)對(duì)搭接塊在正常使用狀態(tài)下的裂縫進(jìn)行控制，根據(jù)文獻(xiàn)[1]的建議可采用式(1)計(jì)算，其中β按50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》式9.3.10取為0.65。正常使用狀態(tài)下搭接塊上柱軸力Vk=2 953.7 kN。

(1)

β·ftk·b·h=3 346.20 kN>2 953.7 kN

滿足要求[1]。

5.2 梁板承載力和剛度控制

5.2.1 樓板受力分析

重力荷載作用下，22層樓蓋主要承擔(dān)拉力，23層樓蓋主要承擔(dān)壓力，22、23樓層應(yīng)力云圖分別如圖9、圖10所示。觀察圖9、圖10的X方向應(yīng)力云圖發(fā)現(xiàn)，右側(cè)風(fēng)井開洞導(dǎo)致樓蓋應(yīng)力無(wú)法均勻擴(kuò)散傳至核心筒，使該處樓蓋與核心筒相連處出現(xiàn)應(yīng)力集中(以22層為例，最大軸向力148.81 kN/m，右側(cè)箭頭處)；與此相比，左側(cè)樓板在搭接塊與核心筒間較為連續(xù)，樓板應(yīng)力傳遞出現(xiàn)良好的擴(kuò)散現(xiàn)象(以22層為例，最大軸向力125 kN/m，左側(cè)圓圈處)。與搭接塊相連的上下樓蓋板在應(yīng)避免在傳力路徑上開洞，本項(xiàng)目中由于風(fēng)井位置無(wú)法挪動(dòng)，因此需對(duì)開口處樓板予以加厚并加強(qiáng)配筋。對(duì)22層，右側(cè)風(fēng)井周圍樓蓋厚度取為180 mm，其余處板厚150 mm；對(duì)23層，與搭接塊相連梁相連的樓板厚度取為180 mm，其余板厚150 mm。

(a)X方向

(b)Y方向圖9 22層樓板應(yīng)力云圖

22層樓板板厚180 mm處最大平均拉應(yīng)力149/180=0.86 N/mm2

(a)X方向

(b)Y方向圖10 23層樓板應(yīng)力云圖

5.2.2 梁受力分析

重力荷載作用下，上下層梁、柱的內(nèi)力如圖11所示，受拉層梁控制截面內(nèi)力如表5所示。

上梁配筋：上部19φ28，下部17φ28；下梁配筋：上、下均配20φ28。同時(shí)，梁縱向鋼筋應(yīng)采用機(jī)械連接并加強(qiáng)錨固，受拉層梁由于受到較大軸拉力因此縱筋全長(zhǎng)拉通。以上措

表5 受拉層梁控制截面內(nèi)力

施可保證拉壓層梁在前文所述的在重力荷載作用下的承載力和剛度及裂縫控制。

5.3 搭接塊相連上下柱設(shè)計(jì)

與搭接塊相連的上下柱作為搭接體系的豎向構(gòu)件，其承載力與延性控制十分重要，參考已有的工程研究[1]，采取以下方法進(jìn)行加強(qiáng)：

(a)彎矩圖

(b)軸力圖

(1)抗震等級(jí)提高一級(jí)，并嚴(yán)格軸壓比限值，設(shè)計(jì)軸壓比≤ 0.55；

(2)彈性大震作用下的強(qiáng)剪弱彎，構(gòu)件斜截面極限承載能力安全度≥1.2倍正截面極限承載能力安全度；

(3)彈性大震組合下正截面及斜截面極限承載能力滿足要求(即進(jìn)行構(gòu)件層面的性能設(shè)計(jì))；

(4)嚴(yán)格控制上下柱在彈性大震組合作用下處于大偏壓受力狀態(tài)(ξb≤0.55)。

5.4 筒體加強(qiáng)

由于本工程框架部分分配的地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值的最小值小于結(jié)構(gòu)底部總剪力標(biāo)準(zhǔn)值的10 %，因此，框架承擔(dān)的地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按照J(rèn)GJ 3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》9.1.11-2進(jìn)行放大，同時(shí)墻體的抗震構(gòu)造措施按抗震等級(jí)提高一級(jí)后采用。

與搭接塊相連的上下層梁其軸向力直接傳遞至核心筒體，筒體應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度以保證與上下層梁的可靠連接，因此在與搭接塊上下層梁的連接部位在豎向應(yīng)設(shè)暗柱，在水平向應(yīng)設(shè)暗梁，同時(shí)為保證梁鋼筋的可靠錨固，剪力墻厚度增加為500 mm。

6 搭接柱轉(zhuǎn)換體系性能設(shè)計(jì)

搭接柱和與之直接相連的構(gòu)件是本工程的關(guān)鍵部位，若在地震作用下出現(xiàn)過(guò)大變形將使得結(jié)構(gòu)出現(xiàn)連續(xù)倒塌的可能。為保證搭接體系在罕遇地震作用下不出現(xiàn)過(guò)大損壞，將與搭接塊相連的構(gòu)件的設(shè)計(jì)性能目標(biāo)定為大震屈服，以及整個(gè)搭接體系為地震作用下的非耗能構(gòu)件；對(duì)于搭接塊，其作為搭接體系的節(jié)點(diǎn)，地震作用下應(yīng)具有更高的可靠度，保證在大震下不出現(xiàn)損壞及大震彈性的要求。

因此，本工程搭接柱體系的性能目標(biāo)為：與搭接塊直接相連構(gòu)件大震不屈服，搭接塊為大震下彈性。計(jì)算時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[7]的研究成果，可采用彈性算法近似模擬結(jié)構(gòu)大震下的動(dòng)力響應(yīng)，此時(shí)周期折減系數(shù)、阻尼比取值分別為0.9、0.07。由于前述對(duì)搭接塊相連梁的裂縫、剛度控制已使得梁縱筋量較小震計(jì)算配筋結(jié)果有較大放大，因此，在大震不屈服性能目標(biāo)驗(yàn)算時(shí)，梁配筋值只需少許放大即可滿足性能要求；同時(shí)，經(jīng)大震不屈服計(jì)算，與搭接塊相連的柱配筋均有較大放大。搭接塊大震下的承載力驗(yàn)算內(nèi)容如下：

6.1 剪壓比

罕遇地震作用下搭接塊豎向剪力設(shè)計(jì)值VV=6 481 kN，(1/γRE)·(0.15fcbh)=7 953 kN，因此

(2)

滿足要求[1]。

6.2 配筋

參考GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》11.3.4，偏保守取搭接塊的抗剪能力僅考慮其鋼筋項(xiàng)，忽略混凝土項(xiàng)的作用，參考文獻(xiàn)[1]，抗剪配筋計(jì)算公式采用式(3)、式(4):

(3)

(4)

豎向剪力設(shè)計(jì)值V1=6 481 kN，水平剪力設(shè)計(jì)值V2=2 724 kN；

豎向鋼筋A(yù)svv/Sv≥V1·γRE/(fy·h)=3.9，配筋率0.65 %；

水平鋼筋A(yù)svh/Sh≥V2·γRE/(fy·c)=3.7，配筋率0.62 %；

搭接塊配筋如圖12所示，配筋滿足要求[1]。

圖12 搭接塊配筋(單位:mm)

7 結(jié)論

為保證建筑高位立面收進(jìn)的需要，本工程采用了搭接柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)體系。通過(guò)上述分析，得到以下結(jié)論：

(1)搭接柱作為一種傳力直接可靠的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，具有良好的經(jīng)濟(jì)性能和抗震性能，尤其適用于高位轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。

(2)搭接柱轉(zhuǎn)換體系在地震作用下屬非耗能體系，因此相比普通構(gòu)件應(yīng)具有更高的性能目標(biāo)。

(3)在建筑平面布置時(shí)，與搭接塊相連樓板應(yīng)盡量避免開洞以保證樓蓋應(yīng)力的連續(xù)傳遞。

[1] 徐培福,傅學(xué)怡.搭接柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究與設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J].建筑結(jié)構(gòu)，2003，33(12).

[2] 傅學(xué)怡,雷康兒,楊想兵,等.福建興業(yè)銀行大廈搭接柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)研究應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu).2003，22(12).

[3] 朱祖敬,趙松林.天河方圓酒店搭接柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].建筑結(jié)構(gòu)，2012，42(6).

[4] GB 50011-2010 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010.

[5] JGJ 3-2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010.

[6] GB 50010-2010 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010.

[7] 傅學(xué)怡,賈建英.結(jié)構(gòu)抗震的一個(gè)新理念——彈性反應(yīng)譜大震試析[C]//第十七屆全國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集，2002.

陳正鋼，男，高級(jí)工程師，國(guó)家一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師；莫鵬程(1990～)，男，碩士研究生，助理工程師，從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

TU318.2

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[定稿日期]2016-06-01