某超高层建筑搭接柱转换结构设计

丁 屹，赵 勇，黄柳燕，张 鑫

（悉地国际设计顾问（深圳）有限公司 深圳 518048）

0 引言

搭接柱转换在上下层柱错位不大时的应用已越来越常见，本文对实际超高层建筑中，柱轴力特别大时，采用搭接柱转换的形式进行了分析。

1 项目概述

1.1 工程概况

某项目位于深圳市罗湖区，占地面积为25 万m2，建筑面积56 万m2。其中最高塔楼T1 为高度249.30 m的办公楼，地上54 层，地下3 层，塔楼高宽比H/B=249.3/37.5=6.65。项目整体情况及T1塔楼如图1所示。

图1 项目效果Fig.1 Architecture Rendering

1.2 T1塔楼主要设计参数

T1 塔楼设计使用年限50 年，抗震设防类别为乙类，建筑结构安全等级二级，结构重要性系数1.0，抗震设防烈度为7 度，设计基本地震加速度0.10g，地震动反应谱特征周期Tg为0.35 s，设计地震分组第一组［1］，场地类别Ⅱ类。T1塔楼为超B级高度高层建筑［2-3］。

1.3 结构体系及转换方案

T1塔楼采用钢筋混凝土外框内筒的结构体系。建筑外立面在5层、9层、43层及45层等处凹进，如图2所示，建筑师希望通过结构收进以保证建筑外立面效果，但又不能全楼收进，以避免影响其它楼层的使用，因此在多处楼层的不同位置都需要对结构柱进行转换处理。

图2 南立面（柱收进位置示意）Fig.2 South Elevation（Column Retracting Position）

梁式转换是最传统和最常见的转换形式，但转换梁截面受弯、剪控制，本项目需转换的上部结构最多的达49层，轴力标准值约60 000 kN，将导致转换梁截面太大，无法满足建筑基本使用要求。同时梁式转换易引起结构刚度和承载力突变，对结构抗震不利。

项目需转换柱轴力虽然较大，但上下层柱的错位不大，且可利用两层高度来进行转换，因此斜柱转换或搭接柱转换［4］为较好的选项。这两种转换形式相对梁式转换，混凝土用料较少，造价低、自重小，上、下层沿竖向刚度突变较小，尤其可以控制转换处的楼层梁高，满足建筑要求。

2 搭接柱与斜柱方案对比

2.1 整体参数比较

结构计算模型采用ETABS［5］，模型如图3、图4 所示。除转换方案不同外，其他参数完全一致，主要计算结果如表1所示。

表1 主要计算结果Tab.1 Main Calculation Results

图3 斜柱模型及详图（仅示意底部楼层）Fig.3 Inclined Column Model And Details（Only Show The Bottom Floor）

图4 搭接柱模型及详图（仅示意底部楼层）Fig.4 Lapped Column Model and Details（Only Show The Bottom Floor）

由计算结果可知，搭接柱方案和斜柱方案二者的周期、地震作用下的总剪力、地震和50年风力作用下的楼层位移等指标均非常接近，且均满足文献［3］要求。

2.2 转换部位内力和变形比较

经计算分析，斜柱和搭接柱方案在不同楼层处，不同位置对构件的影响规律一致，因底部需转换柱的轴力最大、最不利，下面仅以图3、图4 中位置一的分析数据作为两种方案的比较，分析结果如图5、图6所示。

图5 主梁内力（未显示斜柱）Fig.5 Internal Force of Beam（Inclined Column Not Shown）

图6 主梁内力（搭接柱方案）Fig.6 Internal Force of Beam（Lapped Column Structure）

由图5、图6 主梁内力可以看出，斜柱和搭接柱方案下楼层的受力特性是一致的，转换区域的开始和结束层（2，7层）楼面受拉，转换区域的凹进楼层（4，5层）楼面受压，过渡层（3，6 层）同样受轴力，但相对较小，转换区域相邻层（8 层）楼面同样受较大的轴力，受力方向与7 层相同［6］。但在作用力的大小上，两者有一定区别，搭接柱方案最上端梁B1-6 和最下端梁B1-1在恒载、活载单工况作用下的轴力明显小于斜柱方案相应位置主梁的轴力，约为斜柱方案的70%～60%；搭接柱方案中间层梁B1-3 和B1-4 在恒载、活载单工况作用下的轴力与斜柱方案相应位置主梁的轴力差别不大，相差小于5%；两种方案中B1-1～B1-6在地震和风作用下的轴力相差不大，且其值与恒、活载相差较大。恒载、活载单工况作用下，B1-1～B1-7的剪力、弯矩在两种方案不同位置处大小不一，但受力最大的最下端梁B1-1 处，搭接柱方案明显小于斜柱方案的内力，只有斜柱方案的80%～60%；地震和风作用下，梁B1-1～B1-7的剪力、弯矩在不同位置处大小变化趋势有不同，但在受力最大的最下端梁B1-1处，搭接柱方案同样明显小于斜柱方案的内力，只有斜柱方案的40%～20%。

两种方案下，柱在各工况作用下的轴力均相差不大；剪力和弯矩会有较大差别，搭接柱方案普遍大于斜柱方案，且部分可到2～3 倍，但剪力值、弯矩值的绝对大小与柱轴力相差较大，对结构的实际柱截面、配筋等并无影响。

根据计算结果，两个方案的变形形式一致，且对应位置变形差别不大于5%。

综合以上结果，两个方案在大部分位置，内力、变形都很接近，但在转换部位的上下两端，斜柱方案的梁中内力均大于搭接柱方案，尤其是轴拉力和弯矩，这对相应梁截面和配筋影响很大。而本项目需严格控制楼层梁截面，故最终选择了搭接柱转换的方案。同时，搭接柱转换提供了更大的节点截面，也更容易保障节点构造和施工方便。

3 搭接柱方案的有限元分析

3.1 有限元模型建立

采用ABAQUS6.10 通用有限元软件［7］对搭接部位进行全面分析，考虑计算代价及精度需要，取下部8层采用有限元建模分析，有限元模型以弹性分析为主，如果分析结果显示应力水平较高，则再辅以弹塑性分析；构件均采用壳元进行分析，单元选用三节点或四节点减缩积分壳元（S3R/S4R），节点应力由积分点插值所得，本模型单元剖分尺寸采用0.4 m，模型如图7所示。

图7 有限元模型Fig.7 Finite Element Model

3.2 搭接部位有限元分析结果

荷载考虑了恒，活、风、地震等多种工况的组合，不同位置最大应力对应的工况虽有不同，但差别不是太大。本文仅列出长期竖向荷载基本组合（1.3D+1.5L）的部分计算结果，具体详见图8、图9，与文献［8-9］的计算结果趋势一致。

图8 结构应力Fig.8 Structural Stress

图9 搭接柱应力Fig.9 Stress of Lapped Column

根据应力分析，得到以下结果：

⑴与搭接柱相接的上、下层柱角部位置存在应力集中，其最大的局部压应力，超过混凝土强度设计值，但未超强度标准值。柱全截面平均压应力小于混凝土强度的一半。

⑵柱内型钢最大应力远小于钢材强度设计值，型钢强度较为富余。

⑶搭接柱的主压应力沿上下柱之间的对角线方向，搭接柱内的最大压应力同样在上下层柱子角部对应位置，但略小于柱内的最大应力，到在搭接柱中部，应力已大幅减小，原小于混凝土的抗压强度；在搭接柱的另外两个角部存在较大拉应力，其值远超混凝土的抗拉强度标准值，需要通过型钢或钢筋来满足抗拉受力要求，同时控制裂缝宽度。

⑷楼面在4、5 层产生较大压力，楼面的主压应力最大为15.4 MPa，主要位于开洞周边及支座位置处，绝大部分楼板主压应力均小于5 MPa，均低于混凝土的抗压强度；楼面板和梁实际是压弯受力，且由搭接柱位置向周边扩散。

⑸过渡层第3 和6 层楼面附加水平轴力较小，基本以纯弯为主。

⑹在2、7 层楼面有较大水平拉力，并不是搭接块悬臂长度与高度a/h≤0.4 就可不加预应力［10］。建筑结构层间搭接柱转换结构设计梁板全截面受拉，与之相连的内侧拉结梁、墙等相关区域也出现拉应力。大部分拉应力都超过混凝土的抗拉强度标准值，设计时需注意控制钢筋和型钢应力，控制裂缝发展。

4 搭接柱正截面验算

按实际配筋对搭接柱及相邻上、下柱的截面按中震弹性下的内力进行验算，部分验算结果如图10 所示［11］。

图10 典型搭接柱承载力验算Fig.10 Checking of Bearing Capacity（Lapped Column）

结果表明，中震弹性下各不利荷载组合皆在截面承载力曲线内，搭接柱正截面承载力能满足结构安全要求。

5 结论

本文比较了搭接柱与斜柱转换方案的区别，并对搭接柱转换方案进行了有限元的细致分析，得出以下结论：

⑴与搭接柱相连的楼层及相邻楼层，梁板存在额外轴力，与常规楼面受力不同，需要专门设计。转换的上下端楼面轴力方向相反，尤其是受拉力情况下，更需要特别重视，通过布置型钢、预应力等方式，既满足承载力的要求，也保证正常使用和耐久性的要求。

⑵搭接柱中局部有很大的压应力，但同时需要注意也存在较大拉应力，需要合理布置钢筋或型钢，减少混凝土开裂或裂缝的发展。

⑶搭接柱相邻上下柱中也存在有明显的应力集中，但可采用适当构造措施和局部钢筋加强等方式来应对。

⑷搭接柱转换，可以减小梁高，减小刚度突变，在柱错位不大时，在超高层结构中同样是一种合理、有效的转换形式。