带斜柱建筑结构设计的学习与应用

撰稿：宗彬彬

　　〔摘要〕维绿大厦为一典型的带斜柱建筑，通过对其参观学习与研究，将所获得的知识运用于正处于设计阶段的带斜柱建筑观汶阁中。
　　〔关键词〕斜柱、结构设计、抗震措施
　　一、引言
　　近年来，随着人们生活水平的不断提高，常规的方方正正的盒子形建筑已经不能满足人们对于建筑美感的追求，建筑物的体型越来越复杂。其中斜柱建筑以其新颖的建筑立面造型和独特的视觉冲击，深受建筑师的追捧，越来越多的建筑中出现了这种结构形式。这加大了结构设计的难度。 2016年5月24日单位组织到常州调研学习绿色建筑，其中江苏常州武进绿色建筑研发中心的维绿大厦是比较典型的带斜柱建筑，调研之前先寻找了一些维绿大厦的工程设计材料，对其有了一定的了解，待参观时有针对性地去查看结构布置，以取得较好的调研学习效果。为目前在处于设计阶段的带斜柱建筑观汶阁积累一些工程经验。
　　二、维绿大厦工程概况
　　维绿大厦位于江苏省常州市武进区，该工程设计使用年限50年，结构安全等级二级，工程设防类别为标准设防类（丙类），抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第一组，场地类别Ⅲ类，特征周期0.45s。采用框架剪力墙结构。结构主屋面高度36.6m（9层），整体结构形体成V字形，南北立面与地面成80度角，上宽下窄，建筑效果图和剖面图如下图。

三、维绿大厦因带斜柱而增加的结构设计内容
　　1、结构设计分析
　　维绿大厦南北侧边柱均采用斜柱，结构形式为框架-剪力墙结构。结构整体计算时选用两种空间分析程序（SATWE和PMSAP），采用考虑扭转耦联的振型分解反应谱法进行计算，分析比较多遇地震下结构设计参数，确保程序计算的准确性。
　　维绿大厦局部楼层大面积开洞，在整体模型计算中取消全楼强制性刚性楼板假定，按实际状况对全楼面采用弹性楼板应力分析，以考虑楼板刚度对水平位移的影响。采用PMSAP进行结构复核，在多遇地震下计算楼板的应力并将地震作用效应与其他荷载效应进行基本组合，看得出的应力值是否超过混凝土抗拉强度应力值。
　　相对于直柱，斜柱存在一定的倾斜角度，对柱顶和柱底相连的楼面梁板会产生一定的水平推力，使楼板平面内产生较大的变形。因此，需要对斜柱及与之相连的水平构件的受力特征和内力进行详细分析。对薄弱部位采取一定的加强措施。
　　2、抗震构造措施
　　维绿大厦结构设计中采取的抗震加强措施：1）斜柱抗震等级提高一级；2）斜柱的纵向钢筋配筋率提高10%，并将柱箍筋做全高箍筋加密处理；3）局部大开洞区域周边楼板加厚至150mm，并按配筋率0.25%双层双向贯通式配筋，以提高楼面结构的整体刚度。
　　3、立面的细部构造处理
　　斜柱之间的填充墙体，因有一定的角度，不能采用普通砖砌体而选用构造柱加拉梁和挂板的形式。


图三建筑立面（局部）	图四外侧墙体内部构造（局部）

　
　　
　　通过对维绿大厦的参观学习与研究，对带斜柱建筑的结构设计积累了一定的工程经验。
　　四、观汶阁工程概况
　　观汶阁项目位于山东省泰安市泰山区邱家店镇，该工程设计使用年限50年，结构安全等级二级，工程设防类别为标准设防类（丙类），抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第二组，场地类别Ⅱ类，特征周期0.40s。采用框架剪力墙结构。结构主屋面高度67.05m（9层），1~3层展厅部分外墙按8.5度内收，4~9层观光塔部分按5.7度内收，上窄下宽，建筑效果图如下图。

图五观汶阁建筑效果图

　　五、观汶阁因带斜柱而拟增加的结构设计内容
　　1、结构设计分析
　　为了满足观汶阁建筑立面的效果，外围结构柱均采用斜柱。结构整体建模时，斜柱按实际情况输入。由于PMCAD建模方式的局限性，使得柱必须是竖直的，项目中斜柱均采用斜杆建模。斜杆与整体坐标Z轴的夹角小于20度时，SATWE将整体分析时将把斜杆按照柱进行设计，计算长度系数按框架柱考虑，即底层1.0，其他层1.25。结构整体计算时拟选用两种空间分析程序（SATWE和PMSAP），采用考虑扭转耦联的振型分解反应谱法进行计算，分析比较多遇地震下结构设计参数。使两种程序计算所得结果均能满足现行规范要求，同时两种程序的计算

图六观汶阁PMCAD整体模型误差在可接受范围之内。
　　　观汶阁2~3层展厅区域存在较大的开洞，在整体模型计算中取消全楼强制性刚性楼板假定，按实际状况对全楼面采用弹性楼板应力分析，以考虑楼板刚度对水平位移的影响。采用PMSAP进行结构复核，在多遇地震下计算楼板的应力，对应力集中部位采取加强措施。
　　斜柱产生的水平力对楼板、梁会有一定的作用，整体计算时考虑板平面内刚度，将楼板定义成弹性板6。从构造要求上，梁按计算结果配筋时，加强梁通长筋，对楼板及梁的裂缝进行验算。
　　2、抗震构造措施
　　观汶阁结构设计中采取的抗震加强措施：1）斜柱抗震等级提高一级；2）斜柱的纵向钢筋配筋率提高10%，并将柱箍筋做全高箍筋加密处理；3）局部大开洞区域周边楼板加厚至150mm，并按配筋率0.25%双层双向贯通式配筋，以提高楼面结构的整体刚度；4）与斜柱相连的梁，加强通长筋，与此梁相连的板，双层双向通长配置钢筋。
　　3、立面墙体的处理
　　观汶阁1~3层展厅部分，由于层高较高，外墙拟采用挂斜板或各层砌竖直墙外挂石材，待与业主方协商后再确定。
对带斜柱建筑维绿大厦结构设计学习到的知识，较好的运用于在手项目带斜柱建筑观汶阁中，增加了设计的把握和信心。
　　六、结语
　　带斜柱结构整体计算分析时要充分考虑斜柱倾斜后带来结构整体刚度、相连水平构件受力的影响；对受力复杂部位应通用有限元法进行详细分析，得出精确受力情况；对薄弱部位采取加强措施。

参考文献：
　　① 中华人民共和国住房与城乡建设部. GB5011-2010.《建筑抗震设计规范》 2010年12月1日
　　② 中华人民共和国住房与城乡建设部. JGJ 3-2010.《高层建筑混凝土结构技术规程》 2011年10月1日
　　③ 武进绿色建筑研发中心维绿大厦.建设科技.2015年22期
　　④ 薛嵩. 某带斜柱绿色建筑的抗震性能分析.绿色建筑.2015年03期

[个人简历]：宗彬彬，男，学士学位，高级工程师，国家一级注册结构工程师。现在江苏省城市规划设计研究院从事结构设计工作。