摘要：随着社会经济的发展，大型、超大型的办公写字楼越来越多，建筑师不仅对办公楼建筑功能使用及合理性有追求，对办公楼的空间、净高以及景观视线等等都在不断的提出更高水准的需求，为了满足建筑师对建筑使用空间的追求，出现了越来越多的大跨度、大悬挑、大转换等复杂的结构，这些结构设计对结构工程师来说带来了巨大的挑战。结构工程师要保证安全、可靠的前提下，采取合理的结构方案，既能满足建筑功能，又要保证结构的经济性，这就需要结构工程师在对复杂结构的设计时，进行多种结构方案的分析对比，从而拿出相对较优的结构方案。本篇文章将结合实际工程对超高层转换结构进行设计分析。
关键词：结构设计；超高层；转换结构
前言：目前，在我国经济发达的城市兴建了越来越多的超高层办公楼，建筑师对建筑物本身的外立面、平面功能布局、空间利用率等建筑的价值追求越来越高。超高层建筑的功能分区大多数标准层为办公或酒店，底部几层是大型商业，地下室为停车库及设备用房。底部大型商业往往对空间的需求是最高的，建筑师最希望建筑物的商业价值能发挥最大，因此结构工程师就要配合建筑师做一些结构布置的优化与调整，采取一些方法（例如转换结构），使得底部商业的空间满足建筑师的要求。
1.工程项目概况：
某超高层办公楼位于广州国际金融城起步区内。地块总建筑面积约10万㎡。项目是集甲级办公、商业等多功能于一体的综合体。地块主塔楼为一幢三十一层的办公楼，底部五层为商业裙房，与塔楼相接，其中首层~三层商业均设置骑楼连廊，与相邻地块连接。首层层高5.0米，二~四层商业层高4.5米，五层层高5.0米，办公标准层层高4.15米，其中十二层避难层层高4.15米，二十四层避难层层高5.1米，屋面构架高度6.4米，建筑结构总高度 138.75米。地下室共四层，主要功能为地下商业及停车库、设备用房。
2.底部商业骑楼的竖向构件转换：
2.1 根据金融城的规则要求，塔楼东面首~二层设计为骑楼及连廊，建筑立面效果分级收进，按照建筑方案设计主体塔楼东面整排外筒框柱需要在底部进行转换，如下图2.1所示：
图2.1
2.2 结构工程师根据建筑师的需求，对转换形式进行了三种结构方案的比选：（1）斜柱转换（2）斜撑转换（3）水平转换，如下图2.2所示：
（1）斜柱转换 （2）斜撑 （3）水平转换
图2.2
上述的三种结构方案，在进行整体电算后，结构的整体计算结果指标如下表2.3所示：
表2.3
由上述计算结果可知，在同等条件下，斜柱转换方案的竖向构件传力过渡性相对较好，竖向刚度连续，结构整体位移指标好，而斜撑转换、水平转换在层间刚度比及层间受剪承载力这两项指标都存在不同程度的突变，对结构不利。
2.3 经济性的指标分析对比，如下表2.4所示：
表2.4
图3.1
2.4 综上对比，斜柱的结构方案，虽然经济性比斜撑方案略差，但对于整体结构而言，斜柱方案传力途径更高效合理，结构的整体位移指标也相对较好，但斜柱方案也有缺点，由于利用三层~五层的斜柱过渡，此三层的建筑使用空间会受到一定程度的影响，在综合考虑建筑师及业主的意见及建议后，决定采用斜柱转换方案为最终的结构实施方案。
3.斜柱转换结构的内力计算分析：
3.1 斜柱框架：于是框筒结构，且在底部3~5层，柱子轴力较大，单柱轴力在32000~35000KN之间，对斜柱框架结构的内力在水平方向的分量计算分析就比较重要。现采取考虑楼板作用（弹性板）与不考虑楼板作用两种计算方式，在综合包络恒+活组合、小震作用组合、中震作用组合这三种工况下分析斜柱的框架内力，计算结果如下图3.1所示：
根据计算分析结果，三层与斜柱相连的水平框架梁产生轴向拉力，轴向拉力较大，四层与斜柱相连的框架梁产生的轴向拉力较小，五层与斜柱相连的框架梁则未产生轴向拉力。考虑楼板作用与不考虑楼板作用这两种计算方式，轴向力有明显的区别，说明楼板的贡献比较大，针对此情况，在设计斜柱框架的时候，偏于安全的按照不考虑楼板传力作用，对斜柱及其连接的水平框架梁进行设计，水平框架梁按照轴心受拉和偏心受拉两种受力情形进行受拉、拉弯承载力计算，并对轴心受拉进行的正常使用状况下的裂缝验算，保证水平框架梁在正常使用状况下满足裂缝宽度的要求。详细斜柱框架构件内力及截面配筋详下表3.1.2~3所示：（以三层为例）
表3.1.2
表3.1.3
图3.2.1
图3.2.2
3.2 楼板应力计算：斜柱框架考虑楼板的传力作用，斜柱框架结构的内力水平分量有一部分通过楼板传递到核心筒的竖向构件，针对此受力情况，对相应楼层的楼板进行有限元应力分析，分析结果见图3.2.1。由有限元分析结果可知，在斜柱框架变化的楼板区域拉应力较为集中，延远离斜柱方向楼板拉应力逐渐衰减，到核心筒周边应力最大，应力约6.9Mpa，根据此应力结果，此楼层的楼板加厚至200mm设计，考虑楼板与水平框架梁一起承受拉力，按轴心受拉构件对楼板进行计算，受拉方向纵筋按双层Φ18@100的设置，另外一个方向纵筋按双层Φ14@150设置，并结合水平框架梁一起设计，设置为T型截面构件，共同传递水平拉力，具体做法详图3.2.2所示。
3.3 核心筒的受力分析：水平框架梁及楼板传递过来的轴向拉力，最终传递至核心筒部分。对应水平框架梁的位置，设置平面内的剪力墙，剪力墙按照偏心受压构件进行承载力验算；局部水平框架梁搭在剪力墙平面外的，则在剪力墙内增设合理的水平暗梁，与内心筒内部的的连梁、框架梁形成一个封闭圈梁，通过这个封闭圈梁，有效传递水平拉力至对应平面内方向的剪力墙上，保证力传递的完整性。
4.结语
通过以上对斜柱转换结构的设计分析可知，超高层的转换，由于荷载极大，转换结构方案的选择直接影响到整个建筑结构的合理性、建筑功能的使用性、建造成本的经济性等等各方面。结构工程师不仅要拿出安全、合理、经济的结构方案，还要保证结构方案在具体施工图的实施。结构工程师做设计，要先从概念出发，分析整体结构的受力特性，通过计算软件进一步的分析论证计算结果，再通过详细的构件内力计算，保证结构力的传递与相关构件的承载力相匹配，满足结构既定的性能目标，从而实现安全、合理、经济结构设计方案。
论文作者:陈斌
论文发表刊物:《基层建设》2019年第15期
论文发表时间:2019/8/5
标签：结构论文; 楼板论文; 框架论文; 水平论文; 方案论文; 构件论文; 拉力论文; 《基层建设》2019年第15期论文;