丁 屹，趙 勇，黃柳燕，張 鑫

（悉地國際設(shè)計(jì)顧問（深圳）有限公司 深圳 518048）

0 引言

搭接柱轉(zhuǎn)換在上下層柱錯位不大時的應(yīng)用已越來越常見，本文對實(shí)際超高層建筑中，柱軸力特別大時，采用搭接柱轉(zhuǎn)換的形式進(jìn)行了分析。

1 項(xiàng)目概述

1.1 工程概況

某項(xiàng)目位于深圳市羅湖區(qū)，占地面積為25 萬m2，建筑面積56 萬m2。其中最高塔樓T1 為高度249.30 m的辦公樓，地上54 層，地下3 層，塔樓高寬比H/B=249.3/37.5=6.65。項(xiàng)目整體情況及T1塔樓如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目效果Fig.1 Architecture Rendering

1.2 T1塔樓主要設(shè)計(jì)參數(shù)

T1 塔樓設(shè)計(jì)使用年限50 年，抗震設(shè)防類別為乙類，建筑結(jié)構(gòu)安全等級二級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.0，抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.10g，地震動反應(yīng)譜特征周期Tg為0.35 s，設(shè)計(jì)地震分組第一組［1］，場地類別Ⅱ類。T1塔樓為超B級高度高層建筑［2-3］。

1.3 結(jié)構(gòu)體系及轉(zhuǎn)換方案

T1塔樓采用鋼筋混凝土外框內(nèi)筒的結(jié)構(gòu)體系。建筑外立面在5層、9層、43層及45層等處凹進(jìn)，如圖2所示，建筑師希望通過結(jié)構(gòu)收進(jìn)以保證建筑外立面效果，但又不能全樓收進(jìn)，以避免影響其它樓層的使用，因此在多處樓層的不同位置都需要對結(jié)構(gòu)柱進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理。

圖2 南立面（柱收進(jìn)位置示意）Fig.2 South Elevation（Column Retracting Position）

梁式轉(zhuǎn)換是最傳統(tǒng)和最常見的轉(zhuǎn)換形式，但轉(zhuǎn)換梁截面受彎、剪控制，本項(xiàng)目需轉(zhuǎn)換的上部結(jié)構(gòu)最多的達(dá)49層，軸力標(biāo)準(zhǔn)值約60 000 kN，將導(dǎo)致轉(zhuǎn)換梁截面太大，無法滿足建筑基本使用要求。同時梁式轉(zhuǎn)換易引起結(jié)構(gòu)剛度和承載力突變，對結(jié)構(gòu)抗震不利。

項(xiàng)目需轉(zhuǎn)換柱軸力雖然較大，但上下層柱的錯位不大，且可利用兩層高度來進(jìn)行轉(zhuǎn)換，因此斜柱轉(zhuǎn)換或搭接柱轉(zhuǎn)換［4］為較好的選項(xiàng)。這兩種轉(zhuǎn)換形式相對梁式轉(zhuǎn)換，混凝土用料較少，造價低、自重小，上、下層沿豎向剛度突變較小，尤其可以控制轉(zhuǎn)換處的樓層梁高，滿足建筑要求。

2 搭接柱與斜柱方案對比

2.1 整體參數(shù)比較

結(jié)構(gòu)計(jì)算模型采用ETABS［5］，模型如圖3、圖4 所示。除轉(zhuǎn)換方案不同外，其他參數(shù)完全一致，主要計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 主要計(jì)算結(jié)果Tab.1 Main Calculation Results

圖3 斜柱模型及詳圖（僅示意底部樓層）Fig.3 Inclined Column Model And Details（Only Show The Bottom Floor）

圖4 搭接柱模型及詳圖（僅示意底部樓層）Fig.4 Lapped Column Model and Details（Only Show The Bottom Floor）

由計(jì)算結(jié)果可知，搭接柱方案和斜柱方案二者的周期、地震作用下的總剪力、地震和50年風(fēng)力作用下的樓層位移等指標(biāo)均非常接近，且均滿足文獻(xiàn)［3］要求。

2.2 轉(zhuǎn)換部位內(nèi)力和變形比較

經(jīng)計(jì)算分析，斜柱和搭接柱方案在不同樓層處，不同位置對構(gòu)件的影響規(guī)律一致，因底部需轉(zhuǎn)換柱的軸力最大、最不利，下面僅以圖3、圖4 中位置一的分析數(shù)據(jù)作為兩種方案的比較，分析結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 主梁內(nèi)力（未顯示斜柱）Fig.5 Internal Force of Beam（Inclined Column Not Shown）

圖6 主梁內(nèi)力（搭接柱方案）Fig.6 Internal Force of Beam（Lapped Column Structure）

由圖5、圖6 主梁內(nèi)力可以看出，斜柱和搭接柱方案下樓層的受力特性是一致的，轉(zhuǎn)換區(qū)域的開始和結(jié)束層（2，7層）樓面受拉，轉(zhuǎn)換區(qū)域的凹進(jìn)樓層（4，5層）樓面受壓，過渡層（3，6 層）同樣受軸力，但相對較小，轉(zhuǎn)換區(qū)域相鄰層（8 層）樓面同樣受較大的軸力，受力方向與7 層相同［6］。但在作用力的大小上，兩者有一定區(qū)別，搭接柱方案最上端梁B1-6 和最下端梁B1-1在恒載、活載單工況作用下的軸力明顯小于斜柱方案相應(yīng)位置主梁的軸力，約為斜柱方案的70%～60%；搭接柱方案中間層梁B1-3 和B1-4 在恒載、活載單工況作用下的軸力與斜柱方案相應(yīng)位置主梁的軸力差別不大，相差小于5%；兩種方案中B1-1～B1-6在地震和風(fēng)作用下的軸力相差不大，且其值與恒、活載相差較大。恒載、活載單工況作用下，B1-1～B1-7的剪力、彎矩在兩種方案不同位置處大小不一，但受力最大的最下端梁B1-1 處，搭接柱方案明顯小于斜柱方案的內(nèi)力，只有斜柱方案的80%～60%；地震和風(fēng)作用下，梁B1-1～B1-7的剪力、彎矩在不同位置處大小變化趨勢有不同，但在受力最大的最下端梁B1-1處，搭接柱方案同樣明顯小于斜柱方案的內(nèi)力，只有斜柱方案的40%～20%。

兩種方案下，柱在各工況作用下的軸力均相差不大；剪力和彎矩會有較大差別，搭接柱方案普遍大于斜柱方案，且部分可到2～3 倍，但剪力值、彎矩值的絕對大小與柱軸力相差較大，對結(jié)構(gòu)的實(shí)際柱截面、配筋等并無影響。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，兩個方案的變形形式一致，且對應(yīng)位置變形差別不大于5%。

綜合以上結(jié)果，兩個方案在大部分位置，內(nèi)力、變形都很接近，但在轉(zhuǎn)換部位的上下兩端，斜柱方案的梁中內(nèi)力均大于搭接柱方案，尤其是軸拉力和彎矩，這對相應(yīng)梁截面和配筋影響很大。而本項(xiàng)目需嚴(yán)格控制樓層梁截面，故最終選擇了搭接柱轉(zhuǎn)換的方案。同時，搭接柱轉(zhuǎn)換提供了更大的節(jié)點(diǎn)截面，也更容易保障節(jié)點(diǎn)構(gòu)造和施工方便。

3 搭接柱方案的有限元分析

3.1 有限元模型建立

采用ABAQUS6.10 通用有限元軟件［7］對搭接部位進(jìn)行全面分析，考慮計(jì)算代價及精度需要，取下部8層采用有限元建模分析，有限元模型以彈性分析為主，如果分析結(jié)果顯示應(yīng)力水平較高，則再輔以彈塑性分析；構(gòu)件均采用殼元進(jìn)行分析，單元選用三節(jié)點(diǎn)或四節(jié)點(diǎn)減縮積分殼元（S3R/S4R），節(jié)點(diǎn)應(yīng)力由積分點(diǎn)插值所得，本模型單元剖分尺寸采用0.4 m，模型如圖7所示。

圖7 有限元模型Fig.7 Finite Element Model

3.2 搭接部位有限元分析結(jié)果

荷載考慮了恒，活、風(fēng)、地震等多種工況的組合，不同位置最大應(yīng)力對應(yīng)的工況雖有不同，但差別不是太大。本文僅列出長期豎向荷載基本組合（1.3D+1.5L）的部分計(jì)算結(jié)果，具體詳見圖8、圖9，與文獻(xiàn)［8-9］的計(jì)算結(jié)果趨勢一致。

圖8 結(jié)構(gòu)應(yīng)力Fig.8 Structural Stress

圖9 搭接柱應(yīng)力Fig.9 Stress of Lapped Column

根據(jù)應(yīng)力分析，得到以下結(jié)果：

⑴與搭接柱相接的上、下層柱角部位置存在應(yīng)力集中，其最大的局部壓應(yīng)力，超過混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，但未超強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。柱全截面平均壓應(yīng)力小于混凝土強(qiáng)度的一半。

⑵柱內(nèi)型鋼最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，型鋼強(qiáng)度較為富余。

⑶搭接柱的主壓應(yīng)力沿上下柱之間的對角線方向，搭接柱內(nèi)的最大壓應(yīng)力同樣在上下層柱子角部對應(yīng)位置，但略小于柱內(nèi)的最大應(yīng)力，到在搭接柱中部，應(yīng)力已大幅減小，原小于混凝土的抗壓強(qiáng)度；在搭接柱的另外兩個角部存在較大拉應(yīng)力，其值遠(yuǎn)超混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，需要通過型鋼或鋼筋來滿足抗拉受力要求，同時控制裂縫寬度。

⑷樓面在4、5 層產(chǎn)生較大壓力，樓面的主壓應(yīng)力最大為15.4 MPa，主要位于開洞周邊及支座位置處，絕大部分樓板主壓應(yīng)力均小于5 MPa，均低于混凝土的抗壓強(qiáng)度；樓面板和梁實(shí)際是壓彎受力，且由搭接柱位置向周邊擴(kuò)散。

⑸過渡層第3 和6 層樓面附加水平軸力較小，基本以純彎為主。

⑹在2、7 層樓面有較大水平拉力，并不是搭接塊懸臂長度與高度a/h≤0.4 就可不加預(yù)應(yīng)力［10］。建筑結(jié)構(gòu)層間搭接柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)梁板全截面受拉，與之相連的內(nèi)側(cè)拉結(jié)梁、墻等相關(guān)區(qū)域也出現(xiàn)拉應(yīng)力。大部分拉應(yīng)力都超過混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，設(shè)計(jì)時需注意控制鋼筋和型鋼應(yīng)力，控制裂縫發(fā)展。

4 搭接柱正截面驗(yàn)算

按實(shí)際配筋對搭接柱及相鄰上、下柱的截面按中震彈性下的內(nèi)力進(jìn)行驗(yàn)算，部分驗(yàn)算結(jié)果如圖10 所示［11］。

圖10 典型搭接柱承載力驗(yàn)算Fig.10 Checking of Bearing Capacity（Lapped Column）

結(jié)果表明，中震彈性下各不利荷載組合皆在截面承載力曲線內(nèi)，搭接柱正截面承載力能滿足結(jié)構(gòu)安全要求。

5 結(jié)論

本文比較了搭接柱與斜柱轉(zhuǎn)換方案的區(qū)別，并對搭接柱轉(zhuǎn)換方案進(jìn)行了有限元的細(xì)致分析，得出以下結(jié)論：

⑴與搭接柱相連的樓層及相鄰樓層，梁板存在額外軸力，與常規(guī)樓面受力不同，需要專門設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)換的上下端樓面軸力方向相反，尤其是受拉力情況下，更需要特別重視，通過布置型鋼、預(yù)應(yīng)力等方式，既滿足承載力的要求，也保證正常使用和耐久性的要求。

⑵搭接柱中局部有很大的壓應(yīng)力，但同時需要注意也存在較大拉應(yīng)力，需要合理布置鋼筋或型鋼，減少混凝土開裂或裂縫的發(fā)展。

⑶搭接柱相鄰上下柱中也存在有明顯的應(yīng)力集中，但可采用適當(dāng)構(gòu)造措施和局部鋼筋加強(qiáng)等方式來應(yīng)對。

⑷搭接柱轉(zhuǎn)換，可以減小梁高，減小剛度突變，在柱錯位不大時，在超高層結(jié)構(gòu)中同樣是一種合理、有效的轉(zhuǎn)換形式。