斜柱框架轉(zhuǎn)換在超高層混合結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

高永卓(陜西建工安裝集團(tuán)有限公司 陜西 西安 710068)

1 前言

本文以實際工程為背景，探討了超高層混合結(jié)構(gòu)中斜柱框架轉(zhuǎn)換設(shè)計中應(yīng)注意的一些問題。該工程高241m，地下4層，地上53層。六層以下采用型鋼混凝土外框架，七層以上由方鋼管混凝土柱和鋼梁組成外框架，混凝土核心筒上下貫通，在核心筒所有的縱橫墻相交處設(shè)置型鋼混凝土柱，該措施有效提高了核心筒的延性，同時也方便了鋼梁與核心筒的剛性連接。依照建筑功能的要求:6～27層為辦公樓層，30～53層為酒店，酒店部分進(jìn)深11．4m，辦公部分進(jìn)深13．5m，酒店層與辦公層之間設(shè)空中大堂及酒店配套服務(wù)樓層，外框架柱的豎向布置采用了斜柱轉(zhuǎn)換方案:將30層以上的直柱，在28、29層間采用斜柱轉(zhuǎn)換的方式過度到27層以下的直柱，并貫通至基礎(chǔ)。

2 計算模型

由于本工程以混凝土核心筒為主要抗測力構(gòu)件，在外框架轉(zhuǎn)換方向能很好的滿足平截面假定。在完成結(jié)構(gòu)整體計算分析后，針對斜柱框架轉(zhuǎn)換部位分別進(jìn)行空間整體分析和平面框架分析?？臻g整體分析依然采用整體結(jié)構(gòu)模型，讀取斜柱框架部分的梁柱內(nèi)力并與平面分析結(jié)果對比。斜柱框架轉(zhuǎn)換部位的局部模型如圖1所示。平面框架計算模型截取31層至地下一層(嵌固端)，不考慮地下室主塔樓區(qū)域外結(jié)構(gòu)的影響，如圖2所示。斜柱框架部分構(gòu)件編號及計算簡圖如圖3所示。

針對以上幾點，提出以下設(shè)計建議:

(1)平面框架計算結(jié)果大于空間整體計算結(jié)果是容易接受的，因為空間整體計算考慮了結(jié)構(gòu)的整體工作效應(yīng)和內(nèi)力的空間分布。為保證斜柱轉(zhuǎn)換框架結(jié)構(gòu)的安全，可取兩種計算模型的最不利情況進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計。

(2)斜柱轉(zhuǎn)換框架部位的梁成為拉(壓)彎構(gòu)件。對壓彎構(gòu)件應(yīng)充分注意梁的穩(wěn)定問題，因此，相應(yīng)區(qū)域的樓面荷載必須嚴(yán)格控制。對拉彎構(gòu)件有兩種方式解決拉力產(chǎn)生的不利影響，一種是被動方式，一種是主動方式，這將在后面展開討論。

(3)斜柱轉(zhuǎn)換框架部位的梁柱及梁墻剛接節(jié)點成為關(guān)鍵，應(yīng)注重剛性連接的構(gòu)造措施，保證結(jié)構(gòu)的安全。

3 中震下關(guān)鍵構(gòu)件分析

依據(jù)本工程的特點，制定了中震下結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo):中震下核心筒墻肢不出現(xiàn)整體受拉，底部加強(qiáng)部位和斜柱轉(zhuǎn)換部位豎向構(gòu)件為彈性，其它部位豎向構(gòu)件不屈服。為達(dá)到這一性能目標(biāo)，采用兩種方法分別考察斜柱轉(zhuǎn)換部分的受力性能:(1)在原有彈性模型基礎(chǔ)上，調(diào)整加速度反應(yīng)譜參數(shù)至中震情況，但所有構(gòu)件參數(shù)依然按彈性設(shè)計考慮;(2)采用彈塑性時程分析方法，選取合適的構(gòu)件恢復(fù)力模型、輸入適當(dāng)?shù)牡卣鸩ㄟM(jìn)行中震動力分析，并考察斜柱轉(zhuǎn)換框架的動力反應(yīng)。

首先進(jìn)行整體模型的彈性中震反應(yīng)譜計算(簡單的說即將地震力放大2．81倍)，計算結(jié)果表明斜柱轉(zhuǎn)換框架部分仍處于彈性階段。然而必須認(rèn)識到，以上彈性中震反應(yīng)譜計算的結(jié)果是并不一定偏于安全的，因為中震下整體結(jié)構(gòu)中會出現(xiàn)一部分構(gòu)件進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)內(nèi)力會產(chǎn)生重分布，所以有必要進(jìn)行中震彈塑性分析。

選用一條人工波和三條實震記錄(El Centro－EW、WufengNE－NS、YunlincitySE－NS，后兩條為1999年臺灣集集地震的記錄)，利用CANNY軟件進(jìn)行彈塑性時程分析［4］。分析結(jié)果表明:在斜柱框架轉(zhuǎn)換方向(Y方向)，對于中震下(PGA=100gal)的四條地震輸入，結(jié)構(gòu)層間位移角最大不超過1/300，底部加強(qiáng)區(qū)域和斜柱轉(zhuǎn)換部位的豎向構(gòu)件均處于彈性工作狀態(tài)，斜柱轉(zhuǎn)換部位的框架梁沒有屈服，其它豎向構(gòu)件也沒有屈服。

通過以上分析，可以看出結(jié)構(gòu)可以達(dá)到中震下的抗震性能目標(biāo)。

4 受拉樓層解決方案

在28層斜柱轉(zhuǎn)折處，在豎向荷載及水平荷載的共同作用下，斜柱產(chǎn)生了較大的水平力。連接外框架柱和核心筒的框架梁亦產(chǎn)生了較大的拉力，框架梁成為拉彎構(gòu)件。為解決拉力產(chǎn)生的不利影響，可以采用被動式和主動式兩種方法。被動式方法即為加大梁截面，嚴(yán)格按照空間整體計算和平面計算的最不利荷載組合進(jìn)行拉彎構(gòu)件驗算和校核。當(dāng)然梁截面的增大也會帶來梁剛度的增大，同時其內(nèi)力會隨之發(fā)生變化，因此這是一個不斷迭代的過程，最終梁截面還須滿足彈塑性設(shè)計的性能要求。主動式方法是在外框架與核心筒之間設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼索，并以無粘結(jié)形式設(shè)置在鋼梁內(nèi)(梁為鋼箱梁)，以主動抵消一部分梁內(nèi)水平拉力。同時，在第28層樓面內(nèi)設(shè)置水平桁架，加強(qiáng)受拉樓層的平面內(nèi)整體剛度。

5 節(jié)點設(shè)計

本工程為鋼框架—混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)體系，外框架柱距達(dá)到9m，為稀柱框架，為保證結(jié)構(gòu)的剛度及鋼框架能發(fā)揮二道防線的作用，將短方向(Y方向)的框架梁設(shè)計成與核心筒和外框架柱剛性連接。

因此，剛性連接的構(gòu)造在很大程度上決定了整體結(jié)構(gòu)的性能以及斜柱框架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的成立。綜合考慮節(jié)點受力性能和施工工藝，本文采用柱及核心筒上(核心筒內(nèi)設(shè)型鋼柱)設(shè)短梁，鋼梁與短梁采用現(xiàn)場栓焊混合連接的節(jié)點形式。

6 結(jié)論

(1)經(jīng)過合理設(shè)計，斜柱框架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)完全可以應(yīng)用到超高層混合結(jié)構(gòu)中，尤其適合于高位轉(zhuǎn)換，且斜柱框架轉(zhuǎn)換形式能最大限度的滿足建筑設(shè)計對內(nèi)部空間的要求。

(2)針對受拉樓層，可采取在鋼梁內(nèi)增設(shè)預(yù)應(yīng)力鋼索，以主動抵消梁內(nèi)拉力，使轉(zhuǎn)換部位框架梁具有更高的安全儲備。受拉樓層內(nèi)設(shè)置水平桁架支撐亦是提高樓層剛度的有效方法。

(3)針對稀柱外框架，梁柱、梁墻剛接不僅增加了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，同時在保證鋼框架發(fā)揮二道防線作用的前提下減小了框架柱的尺寸;其節(jié)點連接形式值得設(shè)計人員深入研究。