某多层框架建筑斜柱设计及其探讨

某多层框架建筑斜柱设计及其探讨

刘寒冰

南京兴华建筑设计研究院股份有限公司  江苏省南京市 210000

摘  要：随着建筑方案设计对建筑立面造型美观、别致的要求，越来越多突破常规的建筑结构造型出现。本文从某个实际案例出发，总结了某工程中结构立面斜柱的设计过程，探讨了斜柱的结构设计要点及相关结构构件加强措施。

关键词：斜柱；包络设计；构件加强

1 项目概况

本工程位于南京市江北新区。建筑地上六层，地下一层，结构形式为框架结构，长约80m，宽约39米，层高为一层及二层4.2m，其余为3.7m，主要建筑功能为办公，结构平面布置图和建筑局部斜柱剖面图见图一、图二。

抗震设防烈度7度，基本地震加速度0.1g，抗震设防类别丙类，设计工作年限50年，安全等级二级，设防地震分组第一组，场地类别Ⅲ类，特征周期0.45s，基本风压0.40KN/㎡，地面粗糙度类别B类，基础采用预应力混凝土实心方桩。

图一：地上结构楼层平面布置图              图二：建筑斜柱局部剖面图

（阴影区域宽度随立面斜柱位置变化）

2 结构布置方案的确定及初步试算

本工程地上结构平面布置较为规则，因图一中阴影部分，随着建筑高度增加，其跨度增大，立面表现为倾斜状态。按一般楼层梁悬挑，因其跨度过大，已不能满足其正常使用需求，故结构采取了立面斜柱方案。经过测量，斜柱与垂直向角度为28度，共4层，斜柱顶端以上2层柱恢复为垂直方向。

从规范上，立面斜柱没有特殊的规范要求，在一定角度范围内，不属于竖向不规则的类型，其抗侧力和竖向荷载仍可正常向下传递，在建筑方案允许的情况下，应尽可能使斜柱与垂直向的角度减小，使其传力途径更加直接。

本工程采用PKPM软件SATWE模块计算，斜柱按斜杆建模输入，通过计算，本工程各项整体指标均可满足规范限值要求，平面和竖向部分也较为规则，本工程的设计难点在斜柱部分。

3 初步计算结果分析及斜柱受力状态分析

斜柱的受力，受其倾斜角度影响较大，一般其角度宜控制在30°以内。本工程斜柱倾斜角度为28°，属于较大的倾斜角。斜柱相比于直柱，其在荷载作用下，轴力的水平分量，会对在楼层处与其相连的梁、板构件产生较大的水平推力，极端情况下，可能造成梁、板的较大变形或开裂，导致其刚度退化，造成安全隐患。另外，斜柱因为其倾斜角，会产生二次弯矩，设计时应考虑重力二阶效应。

初步计算整体指标较好的情况下，仍然需要特别注意到按斜杆输入的斜柱，在软件计算时，其底层柱长度系数，柱端弯矩调整系数等，需查看是否满足规范要求，斜柱较大时，与梁相连，需查看是否考虑其刚域影响，必要时调整梁端弯矩。

由于计算模型中对斜柱轴力的水平分量产生的水平推力，没有考虑充分，设计需要对计算模型进行进一步深化，使计算与实际受力相符。

4 模拟与斜柱实际受力状态相符的计算模型

由于斜柱其本身的特性，与其相连的梁、板在斜柱的轴力水平分量及斜柱剪力的作用下，会产生拉力。应考虑较不利情况，即相连楼板开裂，刚度退化时，其梁、板、柱配筋的包络设计。根据《建筑抗震设计规范》3.6.4条，结构抗震分析时，应按照楼、屋盖的平面形状和平面内变形情况确定为刚性、半刚性、局部弹性等的横隔板，再按抗侧力系统的布置，确定其共同工作并进行各构件间的地震内力分析。本工程采取与斜柱相连楼板，按弹性板或弹性膜，模拟其梁板刚度退化，包络设计，图三、图四分别为普通刚性楼板和斜柱区域按弹性模考虑下的结构自振周期。

图三：刚性楼板假定下的结构自振周期

图四：局部按弹性膜假定下的结构自振周期

可以看到，在弹性模假定下，结构自振周期变长，有效模拟了楼板刚度退化工况下的受力状态。

5 斜柱的计算内力

根据两个模型的计算结果，读取SATWE三层某斜柱的局部内力如下图五、图六：

图五：刚性楼板假定下三层某斜柱局部内力

图六：局部按弹性膜假定下三层某斜柱局部内力

斜柱内力按两种工况进行包络设计，同时，考虑其受力状况的复杂性，对斜柱的抗震等级提高一级，保证其在地震作用下的可靠性。按斜杆输出内力的，还应按规范调整其内力进行手算复核。

6 与斜柱相邻梁、板的受力计算

在考虑了符合斜柱受力特性的计算模型后，因与斜柱相邻的梁、板可能受到的拉力作用，还应对这部分梁、板进行应力分析，并采取相应的构造措施。以三层楼盖为例，选取其中一根斜柱，读取SATWE计算结果，柱在该层底部轴力N=5379.20KN，则其产生的水平推力可取其轴力的水平总分量，即Fx=N*sin28°=2525.38KN。

这部分水平推力，可由相邻部分梁、板来承担，本工程考虑内力重分配，取楼板承担60%，梁承担40%（根据工程情况不同，可取值不同），则梁承担的水平力Fx1=1010.15KN，相邻楼板承担的水平力Fx2=1515.23KN，同时，读取SATWE结果中该梁的弯矩，按拉弯构件复核其截面，考虑长期荷载作用下的影响，计算其裂缝，使其满足规范要求；对此部分楼板，除考虑在竖向荷载作用下的弯矩外，还应考虑其水平拉力，按拉弯构件复核其配筋及裂缝，确保其正常使用状态，可以有效传递水平力。

7 结构的构造加强措施与加强建议

根据斜柱的特性，本工程对斜柱采取了提高其抗震等级、提高实配钢筋的配筋率，并且要求施工时其纵筋不采用绑扎搭接等措施，同时为了改善其受力状态。在斜柱与直柱交接处，可按图七所示，采取在柱阴角出加腋的措施，增加刚度并保证其传力途径的直接，防止应力集中。在实际工程中，若斜柱的受力较大，可在斜柱及与其相连的梁中设置型钢来满足受力需求。

   对于斜柱相连的梁，考虑其受到的拉力，建议其梁顶面及底面钢筋可通长设置，拉力较大时，可设置型钢。

  斜柱相邻区域的楼板，考虑其内力重分配后受到的拉力，除计算外，建议可对此部分楼板加厚，板厚不小于150mm，提高其配筋率不小于0.25%，用以抵抗受到的水平拉力，防止产生贯通型裂缝。楼板所受应力集中区域，如斜柱附近区域，可采用附加钢筋等措施。

8 结语

结构设计在满足建筑各种非常规立面造型的同时，还更应采用符合结构实际受力特性的计算模型，进行整体结构分析和对结构构件进行设计。对非常规的结构构件，如斜柱等，应充分考虑其在轴力作用下，对周边构件产生的水平推力，同时，在构件节点设计时，充分考虑其受力状态，采取加强措施，保证其受力状态下有充分的延性，保证结构总体和构件的安全。

参考文献

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