异型柱结构在高层建筑中的应用与设计分析

异型柱结构在高层建筑中的应用与设计分析

吴启蒙   ,檀稳结

中国十七冶集团有限公司    安徽  马鞍山  243000

摘要：本文依照文献对比法和理论分析法首先就异型柱结构的定义、条件进行了论述，其次从施工总体部署；结构深化设计与施工准备；结构专项分析等方面提出了异型柱结构施工办法在高层建筑中的应用办法，最后探究出了异型柱结构在高层建筑中的设计以及与方钢柱框架的对比分析结果，以供参考。

关键词：异型柱结构；高层建筑；应用；设计

引言：我国居民住宅建筑多为传统的四方形建筑，即内外两个部分。随着建筑行业的快速发展，异形柱机构渐渐走入人们的视线，该结构形式为剪刀结构的演变过程，其具有T型结构、L型结构、十字型结构等种类。这种结构通常用于建筑物的拐角处和主体框架的连接处，且异型柱结构优势明显，可达到业主对建筑使用空间面积、外观美感等实际需求。

1、概述

1.1异型柱结构的定义

针对异形柱结构的分析，需明确关于异形柱结构的定义，即合理利用全部或部分柱截面为L型、T型、十字型（L型柱为角柱，T型柱为边柱，十字型柱为中柱），混凝土异形柱结构是用异形柱取代普通的框架柱子作为垂直支撑构件，其中梁的横断面高度与支腿厚度之比小于或等于4。

1.2异形柱结构适用条件

（1）居住（住房和宿舍）。

（2）地震设防强度分别为7度（0.10克和0.15克）和8度（0.20克，I、II、III级）。

（3）柱状网格的大小不应超过6.6米。

（4）明确住宅的总高度限定。

2、异型柱结构施工办法在高层建筑中的应用

本项目采用理论、试验、实践相结合的方法，首先，查阅资料调研分析目前悬挑板施工的现状及存在的问题，并对这些问题做相应的技术调研、分析；其次，根据分析情况，针对本次项目异型多层次挑板的施工难点、重点作出总结，从设计→施工分步解决重难点问题，对于异型多层次挑板模板安装与砼浇筑施工、悬挑板结构承载力和耐久性差、施工效率底、砼接缝处的渗水隐患等技术问题研究设计一套切实可行施工方案；再次，研究方案结合调研分析的问题、设计方案可能存在问题进行集中验收问题解决方案，最终，该项目的研究形成系统的技术、专利、标准、论文及相关配套技术资料，为异型建筑多层次结构模板安装与混凝土施工技术在建筑施工过程中的应用提供了有力支撑，具体如下。

2.1施工总体部署

在高层建筑施工中，中国十七冶集团，以公司“十三五”科技发展规划为指导，通过优化创新机制、强化创新条件建设，大力实施创新驱动战略，进一步提高技术创新的效益与产出。并且为合理发挥异形柱结构的实际优势，需在开展施工前做好有关的部署工作。在此过程中，对异型建筑的施工，要按照施工技术的要求，进行合理的施工计划，并配合合理的施工组织。同时，需采用先进的施工工艺、科学的管理手段，确保工程质量、效率、效益。以高层建筑异形柱结构施工为例，具体的施工工序以及步骤如下：

（1）在结构施工阶段，用塔吊将一楼平台所有钢柱、钢梁、斜撑全部吊装，根据设计和技术规范的规定，对焊接部位进行非破坏性检验，在完成检测工序后，需确保所有检查均符合标准。反力支承平台由型钢临时支承固定。

（2）采用塔式起重机的中芯芯柱，并设置好芯柱限位装置，芯柱高度必须符合自建桁架吊杆的高度；同时，手摇吊车和起重设备也需就位等待。

（3）安装转子，在转子与芯柱之间设有支承，以保障其达到规定要求的平衡性、灵活性。

（4）安装桁架式起重平衡臂及相关起重设备，调节水平和竖直度看，在验收合格后才可投入使用；用四个大吨位的手拉式起重机将芯柱吊装到一楼的反力支架上，实现手工等效作业，此过程需按每节芯柱的长度来决定每日的升降高度；芯柱在每一次吊装到规定位置后，下端用四个千斤顶对角地对称地压紧芯柱的底部，避免出现下沉等问题；下端需使用四个千斤顶按照对角线的位置进行按压处理，在按压芯柱后，需避免出现塌方现象，同时采用芯柱限位器将核芯柱体牢固地固定，防止其发生横向移动和倾斜；当吊装平衡臂完成对芯柱与桁架式的提升后，需确保其处于空载状态，并每刻观察芯柱垂直度的变化，如果出现偏差，应立即进行修正；每一根芯柱起吊高度高于下一层所要求的平台高度3米以下时，再将对应平台以下的钢柱、钢梁和斜撑分别吊装。

（5）按顺序重复第4步，直到所有平台的钢件全部安装完毕；针对所有主体结构的分层施工，需保障第二层结构安装无误且验收合格后，需切断平衡臂的外伸，将芯柱抬起，带动旋转机构。当高度满足后，将芯柱固定，将三楼结构部件吊装完毕，并通过验收。切断平衡臂的外伸，将芯柱提起，如此反复，直到所有的部件都被抬起为止，即完成吊装。

（6）桁架起重机的平衡臂会随着结构剖面的改变而逐步缩短；在吊装完毕后，各楼层的钢管脚手架平台将被搭建起来，以便为后续的焊接工序提供所需的环境支持。

2.2结构深化设计与施工准备

在高层建筑施工中，个别异形结构在实际工序中存在的难点问题较多，特别是钢结构。如在梅溪湖国际文化艺术中心，要将22000t钢结构编成“芙蓉花”骨架，而这些骨架中的一部分是4.5厘米厚的钢板。所以，在这类钢结构进行深化设计时，应发挥科学技术优势，合理利用软件对其进行整体设计处理。如，利用软件，可以定制复杂的3D结点，并将最复杂的蜂窝钢结构因其具有较多的弯曲和扭转构件，按照软件设计为其建立弯曲、扭转构件的三维实体模型，并对其进行了扩展和放样，从而解决了该材质出现的加工问题。除结构的深化设计以外，在进行异型构件的吊装之前，还可采用信息软件针对钢结构的整体蜂窝钢进行计算，并明确其基准点、分域吊装等，在软件应用计算完成后可确保吊装位置的准确性，并提升了施工效率。可以说，深化设计在异形柱结构高层建筑施工中较为关键，也是必然要完成的基础性工作之一。在利用软件对其进行深化设计处理时，还可为总包、设计单位以及业主提供良好的沟通交流评价，并在此平台内完成复核、审批等工序，由此保障了工作效率、质量。

2.3结构专项分析

（1）高位斜墙收进区受力分析

依据实际案例分析，某些超高层建筑在使用异形柱结构时出现了一定的受力问题。例如，高区L48~L50层的核心管采用斜壁式的收入法，为了保证结构设计的可靠性，笔者对这一部分的受力和传力作了较为详尽的分析。核心筒壁在垂直荷载标准值下的最大水平拉应力为1MPa，垂直压力是1.5MPa，在2.64MPa以下的裂缝应力下，可判定不会出现横向裂缝问题。在中震荷载标准下，除墙与连梁的交界处存在5MPa左右的水平集中拉应力，剩余的大多数在1.5MPa左右，且具有小于2.64MPa的混凝土开裂应力。同时，在实际工程中，在连梁处安装了钢板，并将其深入墙肢一定深度，以用来抵抗应力；在中地震作用下，墙体的垂直拉应力为3MPa左右，局部最大为5MPa；而在竖向加载后，竖向基本没有拉应力。

在中震弹态联合工作条件下，由于墙体自身在垂直力和中地震应力水平较低，对此应确保所设计的最大压应力为13~16MPa之间，且必须小于混凝土自身的受压承载力；最大抗拉强度为1~2MPa，比钢筋混凝土的等效抗拉强度低，从而达到了中等地震弹塑性承载能力指标要求。

对于在垂直荷载标准下楼面梁板受力路径的分析，在核心筒中，混凝土梁受力最大值为335kN，比混凝土裂缝应力小，在此基础上，水平楼板的最大应力值在6MPa左右，比钢的设计应力要小得多。

L50核心筒外侧楼面的张应力最大值为1兆帕，其他部位的拉应力较低，核心筒内部楼面压力值为1.5MPa左右；L48核心管外侧楼板的压力在0.5MPa左右，核心筒内部的拉应力在1.8MPa左右，对此可达到设计要求[1]。

（2）典型外框偏芯节点分析

在高层建筑中，若建筑要求室内没有柱子，则需按照外框架梁柱节点为全偏心节点进行设计，即外圈梁与外框钢柱连接时，由于外环梁设在钢柱内部，所以在相似的工程中，需要对其进行结构分解。

3、异型柱结构在高层建筑中的设计

3.1异型柱框架结构分析

根据《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ99-2015的规定，建立结构计算的计算程序，如下：

（1）在多遇地震受力下，对异型钢管柱钢结构进行弹性计算。

（2）用刚性楼板假设，对异形钢管柱的受力及变形进行计算。

（3）未考虑无承重墙体、外挂墙板等非结构构件对结构系统的影响。

（4）二次作用的负面影响可需在结构设计中加以考量。

（5）在进行分析时，应充分考虑钢框架梁扭转变形、弯矩、轴向以及急剪切等；分析钢支承的扭转变形、轴向和弯矩，以及消能梁的弯曲和剪切变形等[2]。

3.2创新点

（1）模板支撑钢管组合安装加固；

（2）胸腔模板及支撑体系安装；

（3）异型建筑多层次结构模板斜段放样定位；

（4）异型建筑多层次结构砼浇筑振捣密实；

（5）异型建筑多层次结构建筑物采用快速定位放线的方法测量，放线数据直接从图纸上测得，然后采用经纬仪快速定位、放线。

（6）一种异型建筑多层次结构二次建筑结构封堵防水方法。

3.3结构计算参数

（1）如果楼面的钢筋砼面板和钢梁达到了良好的连接效果，对此在结构弹性分析中，需重点考量钢梁以及现浇混凝土板的共同工作下所产生的刚度增加。

（2）在多遇地震受力下，高层民房钢结构的减振性能。中高层房屋（高度≥50 m）的钢框架或钢框架－支撑结构在多遇地震受力下的阻尼比（ζ）为0.04；在多遇地震下，对于高层建筑（50米以下，高度小于200米）的房屋，其钢框架或钢框架－支撑结构的阻尼比为0.03；在稀遇地震作用下阻尼系数（zeta）为0.05。

（3）根据有关规范规定，对该钢结构的抗震性能进行全面且细节的分析，并由此得出该结构在地震作用下的自振周期，此过程需考虑0.9折减因子[3]。

3.3结构抗震等级

在进行抗震设计时，异形柱结构的抗震设计，需考虑到防烈度、建筑类型、结构类型、建筑高度等方面。一般来说，在施工现场为 I级时，除了6°以外，在此区域，应允许采用相应的抗震结构措施，但是，不得减少对计算的实际要求。

注：1）住宅高度是指除局部凸起的屋顶部分外，从室外地面至主屋顶板的高度；2）在7°（0.15克）时建于Ⅲ类和Ⅰ类场地的异型柱框－剪力墙结构，并且应根据表格中所列的抗震级别，采用结构抗震措施；3）对于房屋高度所接近的分界数值，应当根据建筑物的不规则程度、场地和地基条件，适当地确定其抗震级别。

4、高层建筑异形钢框架与方钢柱框架对比分析

高层建筑大楼地面20米，各层高3米，总高60米。设防烈度为7度，基础地震加速度为0.15 g (g为重力加速度），工程结构分为2级，基本风压为0.5kN/m²，地表粗糙程度 B级。

（表：异型钢框架支撑和方型钢框架支撑计算指标）

见表两种不同的钢架－支撑结构模式的计算结果比较接近。三个阶段的周期误差约为5%，而扭转周期比率都小于0.9。X、 Y方向的有效质量系数大于90%，变形角与层间变形比例均在5%以内，而基础剪力比均在1.6%以上。刚重比也达到了标准规定的极限，对此可忽略二次重力作用，在该结构设计下结构体系合理，各项指标基本符合，可达到质量要求。

结束语：综上，抗震性能是建筑物最为基本的需求，在未来的建筑工程中，将会有越来越多的抗震建筑被采用。其中，异形柱结构不仅可发挥其美观性、占地面积小等优势，还可为高层建筑建设应用提供较为合理的基础，并达到人们所追求的理想居住空间。可以说，异形柱结构在实际运用中优势明显、效益良好，且是未来大部分房屋建筑的主要发展方向。

参考文献：

[1]张鸿智,杨胜炎,李友,等. 异形结构钢铝组合模板施工技术[J]. 建筑施工,2021,43(11):2309-2310,2314.

[2]陶乃臣. 建筑工程中异形柱与短肢剪力墙结构设计问题的思考[J]. 科学与财富,2021,13(5):398.

[3]何文辉,禹宁,司拴牢,等. 兰州奥体中心运动员公寓与体育产业用房工程异形结构施工放线技术研究[J]. 工程质量,2021,39(1):40-43.