某室內(nèi)滑雪館斜柱結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

徐晟翔

(江蘇省建工設(shè)計(jì)研究院有限公司，南京21000)

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的提高，城市現(xiàn)代化水平不斷發(fā)展，建筑技術(shù)水平也得到了巨大提升，常規(guī)豎直的外立面體型已經(jīng)無法滿足建筑師對(duì)于現(xiàn)代城市建筑的設(shè)計(jì)需求，建筑物的外立面逐漸多元復(fù)雜化，斜柱在公共建筑中如體育建筑、展覽館、會(huì)展中心及超高層建筑中逐漸得到運(yùn)用。直柱框架完全依靠柱剪力抵抗水平荷載，對(duì)于內(nèi)傾或外斜的框架，斜柱傳力途徑復(fù)雜，而現(xiàn)有規(guī)范對(duì)斜柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)并沒有明確規(guī)定。鑒于以上情況，本文以本項(xiàng)目中斜柱設(shè)計(jì)為例，提出斜柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要注意的事項(xiàng)，并采取必要的加強(qiáng)措施。

2 工程概況

本工程位于南京市江北新區(qū)，建筑功能為雪館綜合體，地上建筑面積約1.056×105m2，地下建筑面積約6.23×104m2，項(xiàng)目設(shè)置1 層地下室，地面以上由商業(yè)和雪館綜合體組成。建筑采用戲雪區(qū)（E、F 區(qū)）、商業(yè)（1～3 區(qū)）與酒店（A～D 區(qū)）在空間上緊密結(jié)合，如圖1 所示，以圓形的戲雪區(qū)為核心，酒店+商業(yè)360°視覺圍繞，最大化挖掘雪景價(jià)值。

圖1 分區(qū)示意圖

外圍商業(yè)（1～3 區(qū)）結(jié)構(gòu)單元為多層，建筑功能為商業(yè)，滑雪館綜合體（A～D 區(qū)）3 層以下為海洋館，與商業(yè)連為整體，消防疏散借用商業(yè)；4 層及以上為酒店客房，有獨(dú)立的消防疏散；利用客房頂部作為滑雪道，雪道面上為大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋面。

建筑外立面是下小上大的圓弧斜面，如圖2 所示，雪道的寬度是固定的39.65 m，斜柱頂端支撐滑雪道屋頂?shù)耐鈧?cè)鋼柱，鋼柱內(nèi)力通過斜柱向下傳遞，共19 處。滑雪道標(biāo)高隨坡度由高降低，斜柱傾斜的角度由小到大，最大達(dá)到26.8°，最大懸挑8.4 m。考慮幕墻荷載后鋼柱傳來的軸力約3 700 kN，彎矩約2 400 kN·m，結(jié)構(gòu)有天然向外傾倒的趨勢(shì)。

圖2 某室內(nèi)滑雪館建筑效果圖

3 結(jié)構(gòu)體系及布置

針對(duì)不規(guī)則的建筑平面和豎向，同時(shí)考慮到建設(shè)單位控制成本的需求，設(shè)計(jì)時(shí)通過設(shè)置抗震縫，并根據(jù)溫度應(yīng)力分析的計(jì)算結(jié)果及結(jié)合建筑的外立面效果劃分結(jié)構(gòu)單元。

其中，雪館綜合體（A～D 區(qū)）采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，頂層為空間鋼桁架結(jié)構(gòu)。樓面采用普通現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板式樓蓋，斜柱周邊范圍的樓板除頂層雪道層為200 mm 厚外，其余樓層斜柱周邊范圍樓板均為150 mm 厚；與斜柱相連的框架梁截面為800 mm×1 050 mm、900 mm×1 350 mm；斜柱截面尺寸為1 200 mm×1 500 mm。現(xiàn)以斜柱普遍存在的A 區(qū)進(jìn)行分析，如圖3 所示。

圖3 斜柱普遍存在的A區(qū)結(jié)構(gòu)模型

4 斜柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》（建質(zhì)〔2015〕67 號(hào)文）[1]的有關(guān)規(guī)定，斜柱屬于67 號(hào)文表2 不規(guī)則項(xiàng)中的局部不規(guī)則，而本工程A 區(qū)存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、偏心布置、凹凸不規(guī)則、尺寸突變、局部不規(guī)則（穿層柱、斜柱、夾層），具有3 項(xiàng)及以上不規(guī)則，屬于超限工程[2]。

根據(jù)超限報(bào)告及專家組專項(xiàng)審查意見：

1）支撐雪道屋蓋鋼柱的外弧斜柱采用型鋼混凝土柱；

2）不考慮樓板剛度貢獻(xiàn)，與斜柱相連的各層框架梁進(jìn)行拉（壓）驗(yàn)算，并驗(yàn)算正常使用極限狀態(tài)下的裂縫寬度；

3）斜柱及相連框架梁、支承雪道頂?shù)匿撝粗姓饛椥栽O(shè)計(jì)；

4）斜柱層樓板補(bǔ)充豎向荷載下的應(yīng)力分析。

4.1 與斜柱相連框架梁的設(shè)計(jì)

由于斜柱的存在，柱軸力會(huì)產(chǎn)生水平拉（壓）力，此部分水平力將由與斜柱相連的梁板共同承擔(dān)，為分析梁軸力的大小，計(jì)算時(shí)不考慮樓板的有利作用（樓板厚度設(shè)為0），完全由框架梁承擔(dān)水平力，對(duì)框架梁進(jìn)行拉（壓）驗(yàn)算。相連框架梁配筋按小震彈性、小震彈性（0 板厚模型）、中震彈性（0 板厚模型）[3]、正常使用極限狀態(tài)（0 板厚模型）[4]工況進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)[5]。

經(jīng)計(jì)算分析，由于斜柱外傾，斜柱軸力產(chǎn)生的水平分力使相連的框架梁受拉?？蚣芰鹤畲筝S拉力出現(xiàn)在頂層雪道，軸拉力隨斜柱外傾的角度變大而增大，端榀X29 軸處斜柱角度最大，為21.19°，框架梁中震工況下軸拉力為2 727 kN，如圖4所示[6]；中間榀X19 軸處斜柱角度最小，為10.16°，框架梁中震工況下軸拉力為1 911 kN，各層框架梁彎矩、軸力統(tǒng)計(jì)如表1所示。

圖4 X29 軸結(jié)構(gòu)剖面圖

由表1 數(shù)據(jù)可知，斜柱產(chǎn)生的水平分力能有效地被框架梁平衡，保證斜柱水平力的傳遞，框架梁因承受水平拉力，應(yīng)按拉彎構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)。2 層及頂層雪道的框架梁軸拉力較大，梁內(nèi)設(shè)置截面為H750 mm×350 mm×40 mm×40 mm 的型鋼來抵抗軸拉力[7]，其余樓層框架梁軸拉力由縱向鋼筋承擔(dān)，配筋面積按上述4 種工況進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，同時(shí)按拉彎構(gòu)件驗(yàn)算梁頂梁底的裂縫，控制裂縫寬度不應(yīng)大于0.3 mm。各層框架梁在構(gòu)造上也采取相應(yīng)加強(qiáng)措施，如增大框架梁腰筋直徑[8]等。

表1 各層框架梁彎矩、軸力統(tǒng)計(jì)

4.2 斜柱周邊區(qū)域樓板的設(shè)計(jì)

在地震作用下，樓板具有傳遞水平力并協(xié)調(diào)各榀框架及剪力墻之間變形的作用，而斜柱及相連框架梁周邊區(qū)域的樓板在恒載及活載作用下會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)控制樓板在豎向荷載下的應(yīng)力，避免樓板因拉應(yīng)力出現(xiàn)較大的裂縫而造成剛度的退化，從而保證樓板在設(shè)防烈度地震下的性能目標(biāo)。本工程采用pmspa 軟件對(duì)各層樓板的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行有限元分析，各層斜柱周邊區(qū)域樓板應(yīng)力如表2 所示。

根據(jù)表2 計(jì)算的應(yīng)力趨勢(shì)分析可知，在恒載及活載作用下，斜柱周邊區(qū)域樓板應(yīng)力值除個(gè)別洞口狹長(zhǎng)板帶和局部應(yīng)力集中的點(diǎn)外，大部分樓板應(yīng)力值均未超過混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk（樓板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，ftk=2.2 N/mm2），其中頂層雪道層樓板拉應(yīng)力較大，普遍在1.5 N/mm2，整體樓板拉應(yīng)力可控。在與設(shè)防烈度的地震工況組合下，部分樓板拉應(yīng)力超過混凝土軸心土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk，應(yīng)力較大區(qū)域應(yīng)提高樓板配筋率，配筋除滿足豎向荷載作用下的彎曲應(yīng)力外，還需額外配置附加鋼筋來抵抗軸向拉應(yīng)力。

表2 各層斜柱周邊區(qū)域樓板應(yīng)力

4.3 結(jié)構(gòu)采取的抗震構(gòu)造加強(qiáng)措施

本項(xiàng)目建筑外立面造型造成斜柱在外弧普遍存在，考慮到斜柱傳力復(fù)雜，斜柱軸力的水平分力對(duì)周邊框架梁板均有較大影響，除按上述計(jì)算分析的數(shù)據(jù)結(jié)果外，并采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施，綜合如下：

1）外弧斜柱采用型鋼混凝土柱，箍筋全高加密，對(duì)穿層斜柱補(bǔ)充屈曲分析，并按該方向同層普通框架柱的剪力并考慮計(jì)算長(zhǎng)度的不同復(fù)核其承載力。斜柱的性能目標(biāo)提高為中震彈性。

2）斜柱頂與上部鋼結(jié)構(gòu)柱（方鋼管混凝土柱）交匯處及斜柱底與內(nèi)跨框架柱（型鋼混凝土柱）交匯處采用ABAQUS 軟件補(bǔ)充節(jié)點(diǎn)有限元分析。

3）斜柱相連框架梁按拉彎構(gòu)件設(shè)計(jì)，配筋按小震彈性、小震彈性（0 板厚模型）、中震彈性（0 板厚模型）、正常使用極限狀態(tài)（0 板厚模型）4 種工況進(jìn)行包絡(luò)。構(gòu)造上框架梁箍筋全長(zhǎng)加密，腰筋采用抗扭鋼筋，腰筋直徑不小于18 mm，錨固長(zhǎng)度不小于Lae（Lae=34 倍鋼徑直徑=34×18=612 mm），錨固方式同下部縱筋。

4）斜柱層樓板補(bǔ)充在豎向荷載下的應(yīng)力分析，并根據(jù)計(jì)算的應(yīng)力趨勢(shì)配置樓板鋼筋，構(gòu)造上頂層雪道斜柱部位樓板厚度不小于200 mm，配筋不小于12 mm@150 mm雙層雙向，其余層斜柱部位樓板厚度不小于150 mm，配筋不小于10 mm@150 mm雙層雙向。

5）斜柱位置基礎(chǔ)外伸，樁間距加大來增強(qiáng)抗彎能力。

5 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)本項(xiàng)目斜柱的計(jì)算分析，外傾斜柱軸力的水平分量會(huì)增大柱剪力，應(yīng)考慮斜柱軸力水平分量的影響，其豎向荷載作用下斜柱引起的水平力可以相互平衡，水平荷載（風(fēng)荷載和地震作用）作用下，外傾斜柱引起水平力通過相連框架梁及樓板傳至內(nèi)部豎向構(gòu)件，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)補(bǔ)充對(duì)相連框架梁的拉壓分析及斜柱樓層樓板應(yīng)力分析，并針對(duì)斜柱、相連框架梁、周邊樓板及節(jié)點(diǎn)提出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施，保證關(guān)鍵構(gòu)件斜柱在不同地震水準(zhǔn)下能達(dá)到相應(yīng)的抗震性能目標(biāo)，確保不規(guī)則超限高層建筑的安全可靠。