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超高层建筑中斜柱影响及结构加强措施

发布时间:2021/12/01 点击量:
相较于直柱,斜柱并非完全沿着建筑竖直受力方向布置,所以容易给建筑结构受力特性带来影响,因此,还应加强超高层建筑斜柱影响分析,以便找出其中的薄弱环节,采取加强措施保证结构稳固,进而为建筑建设和使用安全提供保障。
 
因超高层建筑独特造型的设计,结构需要进行斜柱布置,考虑到斜柱是超高层建筑的关键构件,应加强结构影响分析,以确保建筑整体安全。本文结合超高层建筑工程实例,分析斜柱对框架梁、楼板及核心筒的影响,通过加强设计提高结构承载力和稳定性。
 
一、工程概述
 
某超高层建筑位于广东省深圳市,工程由4栋塔楼及地下室组成,总建筑面积约171000m2,某栋地上32层,地下3层。建筑主体采用框架–核心筒结构,屋面高148m,安全等级为二级,使用年限为50年,建筑抗震设防烈度为7度,设计加速度为0.10g。在结构设计上,为满足首层大堂空间及外立面设计需要,部分柱采用穿层柱,外侧布置2根钢筋混凝土斜柱,1~9层柱往外斜,y方向倾斜角度6.7°,10~20层为直柱,21~32层柱往内斜,y倾斜角度3.3°;从底部向上尺寸逐步从1400mm×1400mm收缩为1000mm×1000mm,2层楼板因大堂2层通高需开洞,开洞面积超30%;平面布置如图1所示,PKPM模型如图2所示。
 
结构平面
 
结构模型
 
二、建筑斜柱影响分析
 
在对建筑斜柱影响展开分析时,小震采用PKPM与midas Building对比,中震采用PKPM复核,大震采用PKPM等效弹性分析及Midas进行弹塑性静力推覆分析(POA)。计算结果表明,柱转折处斜柱对梁板产生的拉力较大,故选取转折楼层地下室顶板、10层、21层3个楼层重点分析斜柱对结构的不利影响。
 
1、斜柱对楼面梁的影响
 
(1)正常使用极限状态下,斜柱对梁产生拉力,控制作用标准组合1.0永久荷载+1.0可变荷载±0.6风工况下。
 
(2)承载能力极限状态分析下,取基本组合下梁轴力包络值(考虑1.3永久荷载+1.5可变荷载、风荷载基本组合、地震基本组合等各种基本组合取轴力最大值)。
 
(3)中震性能设计时,取1.0永久荷载+0.5可变荷载±1.0中震工况,保证中震作用下拉梁正截面满足不屈服要求,满足拉梁中震性能目标。
 
(4)大震等效弹性性能设计时,取1.0永久荷载+0.5可变荷载±1.0大震工况,保证大震作用下拉梁正截面满足不屈服要求,满足拉梁大震性能目标。
 
各层梁在不同情况下的受力见表1,框架梁的配筋见表2。
 
框架梁受力汇总
 
各种情况下框架梁配筋
 
各种情况下,梁拉力考虑全部由纵向钢筋承担;正常工况下,钢筋应力按180MPa考虑,控制正常使用时裂缝。
 
综上分析可知,与斜柱相连楼层梁产生轴力,其中3个柱转折楼层处梁拉力较大。通过详细分析拉梁正常使用极限状态、承载能力极限状态、中震正截面不屈服状态、大震正截面不屈服状态,拉梁配筋由正常使用极限状态裂缝控制,通过附加梁纵向钢筋,控制正常使用极限状态时拉梁裂缝(钢筋应力按180MPa控制),拉梁即可满足中震大震正截面不屈服的抗震性能目标要求,施工图设计时拉梁按拉弯构件复核梁顶底裂缝不大于0.3mm。
 
2、斜柱对楼面板的影响
 
斜柱转折点处对梁板的水平拉力较大,选取转折楼层地下室顶板、10层、21层3个楼层处重点,分析斜柱对楼板产生的拉应力。经分析楼板应力由1.3永久荷载+1.5可变荷载工况控制,因此提取1.3永久荷载+1.5可变荷载工况下楼板应力做特别分析。
 
经统计顶板最大拉应力4.6MPa,10层楼板最大拉力约3.9MPa,21层楼板最大拉力约3.4MPa,均大于2.01MPa。地下室顶板核心筒与斜柱连接处楼板加厚250mm,12@150双层双向配筋;10层、21层处核心筒与斜柱连接处楼板加厚至150mm,12@150双层双向配筋;其余楼层斜柱处楼板加厚至130mm,10@150双层双向配筋。
 
3、斜柱对核心筒的影响
 
为直观对比斜柱对核心筒剪力的影响,采取直柱和斜柱2个模型,模型计算均不考虑楼板刚度,统计1~11层核心筒剪力墙在1.0永久荷载+1.0可变荷载重力荷载工况下各层的楼层剪力见表3。
 
各层的楼层剪力
 
上述计算结果表明,在重力荷载作用下斜柱对核心筒产生了明显的水平剪力,该剪力需与地震产生的水平剪力叠加进行施工图配筋设计,采用斜柱模型进一步分析核心筒剪力墙在中震作用下的抗剪承载力,结果表明核心筒剪力墙满足中震抗剪弹性的性能目标。左上角核心筒外墙与2根拉梁搭接,为方便拉梁纵筋的可靠锚固,减小该处角筒剪力墙的应力集中,该处剪力墙做水平构造加腋,加腋高度同楼层,加腋层数从地下1层~屋面。
 
三、结构加强措施
 
根据斜柱在超高层建筑中的受力分析结果,在结构加强设计方面还要重点进行斜柱与直柱、楼面梁板连接位置的补强加固处理,确保结构的承载力和稳定性得到提高。对楼层梁,计算梁的拉应力时需考虑楼板真实刚度或不考虑楼板刚度,拉梁配筋由1.0永久荷载+1.0可变荷载±0.6风荷载工况裂缝控制,梁受拉纵筋应力按180MPa,控制拉梁裂缝,中大震作用下能满足正截面不屈服的性能目标,施工图设计时拉梁按拉弯构件控制裂缝。
 
对楼板,地下室顶板核心筒与斜柱连接处楼板通过加大板厚及配筋。对核心筒,斜柱对核心筒产生较大的剪力,因核心筒内部开较多电梯洞口,为加强核心筒整体性,保证斜柱拉力在核心筒中的传递,2~21层各层核心筒外墙在楼层标高处设置一圈构造暗梁,梁截面同连梁,暗梁顶底配筋按1.0%配筋率拉通设置,斜柱处角部核心筒外墙水平加腋。
 
结论
 
综上所述,斜柱与直柱、水平构件的连接位置,将承担过大的拉力及剪力,斜柱对楼面梁、楼面板、核心筒等都会产生较大的影响,故还要通过增加板厚,核心筒加腋及增加配筋等方式实现结构加强,确保结构具有足够抗剪力,能顺利完成力的传递,进而为工程的建设安全提供保障。
 
编辑概况:颜翔(1985—),男,湖南衡南人,工程师,主要研究方向为建筑结构。
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