斜柱结构研究综述

2012-08-15

山西建筑 2012年22期

(四川农业大学城乡建设学院，四川都江堰 611830)

0 引言

随着科技的进步，现代建筑造型多样化、异型化，建筑结构形式越来越复杂，许多建筑沿立面倾斜，自2005年起大量斜柱涌现。它的出现一定程度上满足了设计师对造型新颖和功能多样的要求。

斜柱结构可在柱间直接完成转换，传力途径直接，技术经济指标好;可完成高位转换，以节约空间，增大了使用面积，美化了立面效果;能有效地提高设计效率，加快工程施工进度，从而降低工程造价，具有广阔的发展前景。因此，斜柱具有极高的实际应用价值。

在斜柱研究方面，主要运用以下方法:利用AutoCAD软件对梁柱节点进行深化设计;用“力法变形法”“附加链杆法”或“带斜柱两跨多层简式框架的形变迭代解法”进行内力计算;采用PKPM及其程序SATWE、大型通用有限元分析软件ANSYS和SAP、三维有限元分析软件ETABS进行结构分析;大震变形运用中国建筑研究院的PUSH＆EPDA软件中的静力推覆分析(Pushover)方法。

目前，针对斜柱结构抗震研究工作较少，现行规范中尚无斜柱斜框架结构的配套规定，然而已经有了一些工程实例可供参考，如加蓬共和国参议院大厦、深圳2000大厦、苏州凯悦酒店等。

在历次发生的大地震中，框架结构梁柱节点是结构抗震的一个薄弱环节，它的破坏是引起建筑物破坏的主要原因之一。在早期的钢筋混凝土结构中，框架节点的地震破坏记录及研究较少，设计上也没有详细规定。

综上所述，简要介绍斜柱、斜柱节点及抗震性能，概述国内外研究现状，可为广大高层建筑斜柱结构设计人员和国家相关规范的制定提供参考。

1 国内外研究概况

斜柱结构分析研究是高层复杂建筑抗震的重要环节，无数学者在理论研究、数值模拟研究、实体模型研究等方面进行了大量的研究工作，也取得了较多成果。我国同济大学、重庆大学、清华大学、北京科技大学、武汉建筑设计院、四川省建筑科学研究院等许多院校和科研单位都做出了行之有效的研究工作。

1．1 理论研究

理论研究是基于前人得出的各种理论进行的研究。建筑结构领域的基本理论研究包括结构可靠度、混凝土结构基本理论、组合结构三方面;混凝土结构基本理论方面的研究工作包括对结构材料的研究，主要对钢材与混凝土的基本性能，对构件的基本受力及复合受力的计算与设计方法等作系统的研究。

强心诚［1］通过多种方法校核并对比，提出“带斜柱两跨多层简式框架的形变迭代解法”，并举例证明该计算方法所得结果完全满足结构设计的需要。这一新的计算方法以节点转角为运算对象，如杆件两端相对变位，并能够自动除误。运用此方法来解决带有斜柱的两跨多层简式框架结构是可行的。

王家祥［2］研究了浙江省凯悦酒店，做了结构选型、结果调整和静动力分析，提出了斜柱斜框架等结构的静动力和结构地震振动分析理论。利用ETABS等有限元软件建立模型，并进行了反应谱分析和弹性时程地震反应分析等，通过改变梁柱截面尺寸，采用型钢混凝土结构，放大地震内力等，解决了该建筑斜柱斜框架结构受力不合理的问题。

1．2 数值模拟研究

数值模拟研究是运用ANSYS，SAP2000，PKPM中的 SATWE等大型有限元分析软件，对研究对象建立模型、操作、设计，在静动力分析、线性以及非线性分析、反应谱分析等方面，可为研究者提供可靠的计算分析结果。

孙艳等人［3］通过对加蓬共和国参议院大厦的结构设计深入了解，谈到了结构方案及计算单元的确定，计算荷载的取值，结构计算与结构分析的方法，并介绍了钢筋混凝土大斜柱的处理方法，得出结论:援外工程结构的确定需因地制宜，在划分复杂建筑结构计算单元时应设置变形缝，并兼顾建筑物平面的设置及当地的条件等因素。在钢筋混凝土斜柱的设计时，合理确定斜柱的悬挑长度和倾角有利于结构的设计。

曹秀萍、马耀庭［4］分析了斜柱在深圳2000大厦高位转换中的应用，该大厦采用了斜柱转换方式，适当加强了转换层的楼盖结构，着重介绍了斜柱在转换层中的应用，斜柱转换通过TBSA(5．0版)和SATWE软件计算的结果分析和相关节点的设计及施工，说明了采用上下层梁板形成的桁架和斜柱转换是可行的。

傅学怡、江化冰等［5］针对国外某高层斜柱交叉节点设计研究，该建筑外部网筒由圆柱斜向交叉与环梁编织而成，经有限元分析，汇交节点应力状态复杂，阴角区存在明显的应力集中，通过弹性、弹塑性有限元分析，找出了应力集中的原因，进而有针对性地提出了采用钢板凳进行加强的措施，取得了较好的效果。同时也针对倾斜结构的受力、变形特点，进行专项施工模拟分析，保证结构施工安全。

周洲、华立冲等［6］运用SATWE和ETABS两种软件对黄浦体育中心办公楼斜柱结构做了内力和在中震情况下弹性分析，针对节点介绍了设计和加强措施。同时，提出了利用性能设计增强斜柱、楼盖梁等最重要构件的抗震性能，并运用中震弹性理论复核其内力。

李达，牟在根等［7］运用SATWE软件对局部异形柱的多层框架结构做了建模分析、结构计算，并针对其设计提出了在SATWE中，柱模型应采用柱法计算，墙法模型采用“剪力墙组合配筋程序”和“框架结构”“框剪结构”来进行设计和计算，计算时框架倾覆力矩控制在50%～75%。

1．3 实体模型研究

模型研究是在条件允许下，将模拟研究对象根据一定比例形成实体模型，并对模型进行构件性能测试、耐久性测试、混凝土无损测试、结构动力性能测试等，从而直接演示变化因素对实体的影响。

杨勇等人［8］对青岛万邦中心1号楼地上10层一个角柱由倒Y形空间斜柱转换结构承托的受力性能进行分析。重点通过实验，先分别对柱和斜撑结构进行加载，再同时加载并超过设计荷载，得到了转换节点处的刚度和强度在不同荷载下的数据，最后对数据进行整理分析，得出节点核心区受力满足要求，但支撑构件受力复杂，需加大截面尺寸来改善。

杨治林［9］通过分析框架结构震害形态，运用拟动力地震反应对填充墙和斜柱分析与试验，提出了在填充墙适当增设斜柱，尤其是在边角柱的填充墙对角方向，由此提高斜柱结构的抗震能力。

2 研究斜柱结构的方法及应该注意的问题

在研究斜柱结构时，目前主要采用中国建筑科学研究院的PKPM软件及其程序SATWE、大型通用有限元分析软件ANSYS和SAP2000、三维有限元分析软件ETABS等进行分析。在研究和分析的过程中，一般需要注意以下问题。

2．1 在理论研究中

1)对斜柱等复杂结构的研究，应运用“总纲计算方法”和“立体指点系”的模型，得到楼板在地震作用下的应力分布情况，分析整体和各构件在空间的反应，对整体则按弹性楼板假定来分析。2)软件设计时，因为对斜柱没有要求和构造措施，配筋计算和配筋只能以最初内力为依据。所以在配筋时应按高一级抗震等级配置，并按照《型钢混凝土组合结构技术规程》，将计算得到的型钢截面面积扩大至原来的1．5倍。

2．2 在数值模拟研究中

1)在ETABS中，针对不规则结构，若采用三维动力计算模型，应采用CQC法进行振型组合。2)为了保证斜柱结构的安全性，运用扭转耦联的振型分解反应谱法以及对三条时程曲线进行时程分析，以此作为多遇地震下的补充计算，同时还应运用其他软件对其分析比较。3)使用有限元软件分析时，为保证结果有效性，应使模型所受约束和实际受力情况相符。而在分析构件时，如果某一时刻的试验中的构件任一部分损坏，说明计算不收敛。也就是说，构件中最早发生明显损坏的部分所对应的荷载是有限元极限荷载的定义。4)因为没有将斜柱考虑进框架—剪力墙结构，现有的软件又将斜柱当成支撑，所以在总体信息里得到的框架所分担的地震倾覆力矩是不合理的。也就是说，斜柱所受的弯矩和剪力不能利用软件合理调整，所以，在放大2倍内力的同时，应重新设置地震剪力，并确保不小于当层2%的总地震力。