張亞非

（廣州市住宅建筑設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州 510000）

1 搭接柱概述

在實(shí)際工程中，建筑有時(shí)需要實(shí)現(xiàn)外立面的外擴(kuò)或者收進(jìn)，而這往往會導(dǎo)致框架—核心筒結(jié)構(gòu)外圍框架柱存在上下不連續(xù)的情況。此時(shí)采用搭接柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)加以過渡，不僅可以充分利用本層的建筑空間，還可以發(fā)揮其造價(jià)低、自重輕、上下層剛度突變小等優(yōu)點(diǎn)[1]。搭接柱上下層柱存在偏心，在豎向荷載作用下所產(chǎn)生彎矩會對搭接柱相連接的梁與樓板會產(chǎn)生一定的拉壓作用。因此，搭接柱上部樓蓋（搭接柱上部2 層）需承受較大的拉力，下部樓蓋需承受較大壓力，而搭接柱本身受力則較為復(fù)雜，容易形成結(jié)構(gòu)的薄弱部位[2]。

本文將運(yùn)用有限元軟件對搭接柱及其相關(guān)范圍進(jìn)行分析，研究搭接柱相關(guān)范圍構(gòu)件的受力和變形情況，以便指導(dǎo)設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)具有足夠的承載能力和延性，提高結(jié)構(gòu)的安全儲備。

2 工程概況

本工程位于珠海市十字門中央商務(wù)區(qū)橫琴片區(qū)離岸金融島東北角，建筑用地面積11752m2，總建筑面積為131197m2。本工程一號樓為高層辦公建筑，地下4 層，地上39 層，標(biāo)準(zhǔn)層層高4.9m，建筑高度192.1m，屬于超B 級高度的超限高層建筑。高寬比約為6.55，抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，其中核心筒為部分帶鋼骨的鋼筋混凝土剪力墻，框架柱為鋼筋混凝土柱及鋼骨混凝土柱。

根據(jù)建筑方案，塔樓九層以上柱網(wǎng)向外凸出，上、下柱中心水平錯(cuò)位1000mm，使外框柱不能直通落地。為了滿足建筑對使用空間和立面的要求，同時(shí)保證結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)合理性，本工程決定在塔樓7～8 層采用搭接柱轉(zhuǎn)換，結(jié)構(gòu)平面及相關(guān)樓層示意見圖1。

3 搭接柱相關(guān)區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

3.1 整體模型計(jì)算及抗震分析

本工程根據(jù)超限情況、受力特點(diǎn)及其重要性，確定其抗震性能目標(biāo)為C 級[3]。在小震和中震的計(jì)算中，采用YJK 軟件對本工程進(jìn)行整體計(jì)算分析，搭接柱均沒有出現(xiàn)超筋和抗剪截面不足的情況，能夠滿足廣東省標(biāo)準(zhǔn)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（DBJ 15-92—2013）》3.11.3 條規(guī)定的結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震承載力要求。

采用YJK-EP 軟件進(jìn)行罕遇地震地震作用下動力彈塑性時(shí)程分析，結(jié)果顯示，搭接柱過渡段及其受拉梁作為關(guān)鍵構(gòu)件，混凝土基本無損傷（混凝土損傷因子在0.2～0.3 之間），鋼筋的塑性應(yīng)變損傷程度也在較小范圍（平均塑性應(yīng)變程度小于0.1），根據(jù)損壞判斷標(biāo)準(zhǔn)，屬于無損壞～輕微損壞。搭接柱轉(zhuǎn)換層（建筑9層）的樓板損傷情況見圖2，樓板最大壓應(yīng)變損傷為0.543，鋼筋塑性應(yīng)變損傷程度為0.120，亦屬于輕微損壞。經(jīng)以上計(jì)算分析，搭接柱可以滿足抗震性能目標(biāo)為C 級的各項(xiàng)性能水準(zhǔn)要求。

圖1 塔樓9 層結(jié)構(gòu)布置平面圖及相關(guān)樓層示意（虛線范圍內(nèi)為搭接柱）

3.2 搭接柱相關(guān)構(gòu)件內(nèi)力分析

3.2.1 與搭接柱相連的受拉梁內(nèi)力分析

為了提高結(jié)構(gòu)的安全儲備能力，同時(shí)適當(dāng)?shù)目紤]樓板對拉梁的幫助，在搭接柱轉(zhuǎn)換處及其上一層，對受拉的框架梁按彈性樓板和不考慮樓板兩種模型進(jìn)行分析計(jì)算，由計(jì)算結(jié)果可以看出：搭接柱轉(zhuǎn)換處（9F）對框架梁產(chǎn)生的附加拉力最大（考慮彈性板時(shí)約為1408kN，無樓板時(shí)約為3069kN）；樓板分擔(dān)了一部分受拉框架梁由搭接柱引起的附加拉力，分擔(dān)比例為50%左右。根據(jù)以上兩種情況的分析計(jì)算結(jié)果，對受拉梁采用二者的包絡(luò)配筋進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證結(jié)構(gòu)的安全可靠。

3.2.2 搭接柱相關(guān)樓層樓板應(yīng)力分析及設(shè)計(jì)

為了研究搭接柱對相關(guān)區(qū)域樓板的影響，對搭接柱相關(guān)范圍的主要受拉層樓板（建筑9 層、10 層）進(jìn)行各種組合工況下的樓板應(yīng)力分析。結(jié)果顯示，樓板在主受力方向呈拉應(yīng)力狀態(tài)。在最不利組合工況作用下，9 層樓板最大拉應(yīng)力約為6Mpa，10 層樓板最大拉應(yīng)力約為3MPa。考慮到受拉層的重要性，建筑9～10 層板厚均加厚至150mm，樓板配筋加強(qiáng)為雙層雙向D12@150。同時(shí)結(jié)合梁板受力特點(diǎn)，在建筑9 層受拉梁周邊樓板設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼筋[4]。

圖2 9 層樓板壓應(yīng)力損傷程度

3.3 搭接柱實(shí)體有限元分析（基于MIDAS-FEA）

3.3.1 三維模型相關(guān)參數(shù)

考慮到搭接柱轉(zhuǎn)換區(qū)域（9F）及其上一層樓蓋（10F）承受的水平推力較大，故以搭接柱相關(guān)區(qū)域7～10 層對應(yīng)樓蓋局部梁板作為分析對象作為分析范圍（見圖3）。采用MIDAS-FEA 對受分析的結(jié)構(gòu)區(qū)域建立三維實(shí)體有限元模型，并按實(shí)際配筋建入其主要的鋼筋單元。根據(jù)節(jié)點(diǎn)模型實(shí)際截取部位，從整體模型的計(jì)算結(jié)果中提取構(gòu)件最不利工況下的內(nèi)力。

模型中，鋼筋型號為HRB500，型鋼型號為Q345B，本構(gòu)關(guān)系采用VonMises 模型。剪力墻、柱采用C60 混凝土，梁板結(jié)構(gòu)采用C30 混凝土。按《CEB-FIP model code 1990》中的混凝土本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)圓柱體和立方體抗壓強(qiáng)度的等級對應(yīng)表進(jìn)行換算。在模型中，鋼筋采用鋼筋單元模擬；混凝土和型鋼采用三維實(shí)體單元模擬。

3.3.2 有限元分析計(jì)算結(jié)果

由圖4 可知，在最不利組合工況作用下，混凝土壓應(yīng)力最大值為30.92N/mm2，小于C60 混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fc=38.5N/mm2；其余絕大區(qū)域混凝土壓應(yīng)力均小于混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，可認(rèn)為節(jié)點(diǎn)滿足承載力要求?；炷恋淖畲髩簯?yīng)變?yōu)?.0009，小于混凝土的極限壓應(yīng)變0.0033。

圖4 混凝土最大主壓應(yīng)力

搭接柱相關(guān)范圍內(nèi)鋼筋的應(yīng)力分析結(jié)果顯示，鋼筋均處于彈性工作狀態(tài)。鋼筋應(yīng)力絕大多數(shù)在-11～67MPa 之間，最大拉應(yīng)力為134.7N/mm2，小于HRB500 鋼f=435N/mm2。節(jié)點(diǎn)區(qū)內(nèi)型鋼的應(yīng)力分析結(jié)果顯示，各型鋼均處于彈性工作狀態(tài)。由圖5 可知，型鋼的最大Von Mises 應(yīng)力為115N/mm2，該位置位于該柱搭接部位的連接板（35mm）上，小于Q345 鋼f=265N/mm2。

圖5 型鋼Von Mises 應(yīng)力

通過對節(jié)點(diǎn)的有限元分析，節(jié)點(diǎn)區(qū)域混凝土壓應(yīng)力小于材料標(biāo)準(zhǔn)值，型鋼拉應(yīng)力和鋼筋拉應(yīng)力均小于材料屈服強(qiáng)度，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的型鋼與鋼筋基本處于彈性，混凝土也未被壓碎，節(jié)點(diǎn)滿足承載力要求，滿足抗震性能目標(biāo)，節(jié)點(diǎn)區(qū)安全，具有足夠的承載力及剛度。

4 結(jié)論

由以上計(jì)算分析可知，在地震作用下，搭接柱相關(guān)構(gòu)件不僅滿足小震彈性設(shè)計(jì)要求，也符合中震和大震作用下C 級抗震性能目標(biāo)的各項(xiàng)性能水準(zhǔn)要求。同時(shí)，根據(jù)有限元分析結(jié)果，搭接柱相關(guān)構(gòu)件的應(yīng)力和應(yīng)變均在一個(gè)安全合理的范圍內(nèi)，符合相關(guān)規(guī)范的要求。因此，只要在設(shè)計(jì)中對關(guān)鍵和重要構(gòu)件進(jìn)行有針對性的加強(qiáng)，就可以保證搭接柱相關(guān)構(gòu)件具有足夠的承載力和延性儲備。

總而言之，搭接柱轉(zhuǎn)換作為一種設(shè)計(jì)合理且經(jīng)濟(jì)有效的結(jié)構(gòu)形式，傳力直接，安全可靠，既滿足了建筑使用空間的需求，又避免了結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度突變導(dǎo)致的不利影響。雖然搭接柱受力較為復(fù)雜，但只要我們在設(shè)計(jì)時(shí)充分了解它的受力機(jī)制，掌握它的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，就能在滿足經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，保證結(jié)構(gòu)的安全性，使搭接柱的設(shè)計(jì)更加規(guī)范合理。