提要：结合佛山市某超高层办公楼的结构设计，详细介绍了搭接柱转换结构设计的特点、不同计算分析手段等设计过程及其优劣性，为以后类似工程的设计提供参考。
关键词：高层建筑 搭接柱 转换
Transition design of overlapping column of a high-rise building structure
[Abstract]：Based on the structural design of a super high-rise office building in Foshan City，this paper introduces in detail the characteristics of the transfer structure design of the lap column，the design process and its advantages and disadvantages of different design and analysis methods，which provides a reference for the design of similar projects in the future.
[Key Words]：High-rise building；overlapping column；Transition design
一、工程概述：
青年荟大厦项目位于南海区桂城，海八路南侧，地上为2栋25层的高层商业办公大厦，总建筑面积约9.4万平方米，建筑总高度99.9m；地下室为3层地下室，分别为商业、车库及设备用房，裙楼为6层商业及1层架空层，7层及以上为采光良好的小开间式办公，塔楼最大高宽比为2.79。建筑效果图及平面图详见图1~5。
二、搭接柱转换分析
本工程分别采用手工核算方法和弹性平面有限元分析方法分析搭接柱转换构件的内力，并按相应的抗震性能目标进行配筋设计。
手工核算方法参考《复杂高层建筑结构设计》（由徐培福主编，傅学怡、王翠坤、肖从真参与编著）关于搭接柱转换结构的相关内容进行。平面有限元法则采用YJK软件进行，直接在整体模型中抽取以壳单元模拟的剪力墙和梁，分析其应力和内力，并相应配筋。
作为抗震关键构件，搭接柱按大震抗剪弹性，抗拉抗弯不屈服进行控制，为了简化分析，偏于安全地，取等效弹性大震的内力进行分析。
下面以轴力较大的典型搭接柱DJZ3为例，将详细分析过程列举如下。
1.手工核算方法
（1）计算简图
搭接柱转换结构变形示意及传力示意分别如图8及图9所示。
搭接柱DJZ3的转换计算简图如图1.10所示，上柱及下柱截面尺寸均为为800x2300，上下柱重叠部分为800x1300，搭接块尺寸为800x3300，C=1.0m，h=5.5m，L=8.8m。该处搭接比例C/h=1.0/5.5=0.18<0.45，可不设主动预应力。
查得正常使用状态下上柱底轴力标准组合值为28318.3kN（压力），偏于安全地，取搭接块剪力为按上柱外挑部分面积与总面积的比例分配所得的轴力，则
弹性大震下V1=19940.3 kN，得
Asv/s=14.53
当搭接块竖向、水平分布钢筋均取Φ18@100（6）时，Asv/s=15.27，满足大震抗剪弹性要求。
d.搭接柱上下楼盖梁拉压验算
正常使用状态下的要求：
搭接柱转换结构在重力荷载作用下的安全度和可靠度，主要取决于搭接块相连楼盖梁板的承载能力和轴向刚度的控制。楼盖梁板的承载能力和轴向刚度得到控制和满足，重力荷载作用下，次内力（柱、梁、板、墙的弯矩、剪力）及搭接柱变形就受到控制，整个搭接柱转换结构就能正常工作。
搭接块相连楼盖梁板承载能力和轴向刚度控制是搭接柱转换结构重力荷载作用下正常工作的关键技术。结合实际可能和需要，本工程采取以下技术控制指标：重力荷载正常工作状态下受拉层楼盖按偏心受拉设计，控制受拉纵筋的平均应力σmax≤200N/mm2，受拉裂缝宽度ωmax≤0.2mm。搭接柱传力范围的上下层楼板厚度加大至200mm。
竖向荷载作用下的最大基本组合为1.35D +0.98L，N = 1.35x24207.2+0.98x4111.1=36708.6 Kn；
上楼盖梁的拉力设计值 T ≈ N上C/h =36708.6x1/5.5=6674.3kN；
抗拉钢筋As=T/fy=6674.3x1000/200=33372 mm2，实配42Φ32。
拉力的准永久值T ≈ 26262.8*1/5.5=4775.0kN，计算得裂缝宽度为0.192mm<0.2mm。
下楼盖梁截面尺寸为1300x1000mm，下楼盖压应力=6674.3x1000/（1300x1000）=5.13MPa，远小于fc=16.7 MPa。
故需在1300x1000的上楼盖框架梁内另配42Φ32的受拉钢筋，并全部锚入核心筒剪力墙内，则可满足正常使用状态下的要求。该梁配筋率约为3.0%，因其为偏心受拉构件，故最大配筋率无需满足不大于2.5%的要求，且受拉纵筋基本可以配置在墙边外扩2倍板厚的加厚楼板范围内，如图11所示。
图11 受拉钢筋大样图
e.大震作用下满足不屈服
大震下上柱最大轴力标准组合值N上k = 1.0x24207.2+0.5x4111.1+6x1839.4=37299.2 kN。
上楼盖梁的拉力标准值 Tk ≈ N上kC/h =37299.2*1/5.5=6781.7kN
抗拉钢筋
As=γRETk/fyk=0.8x6781.7x1000/400 =13563mm2，可见配筋需求较小，不到正常使用状态下配筋值42Φ32的一半，故知梁抗拉钢筋由正常使用状态控制。
2.平面有限元分析方法
为进一步验证搭接柱的受力情况，补充采用平面有限元对典型搭接柱进行内力分析，分析软件为YJK，搭接柱转换的相关构件均采用壳单元模拟，可以直接从整体模型中截取出来，这时边界条件、荷载作用等与实际情况是完全相同的。以下以典型搭接柱DJZ3为分析对象。
（1）.竖向荷载最大基本组合作用下搭接柱应力分析
经比较，竖向荷载最大基本组合为1.35恒载+0.98活载，分析该组合作用下搭接柱相关构件的应力和内力，可以清晰搭接柱的受力和传力机理，同时也作为正常使用状态下的配筋设计依据，控制钢筋受拉应力水平为200MPa，可相应控制裂缝宽度。
a.楼板应力和梁轴力（以DJZ3为分析对象）
1.35DL+0.98LL荷载工况组合下，搭接柱下层（二层楼面）和上层（三层楼面）楼板应力图分别如图12~图15所示。
b.搭接柱DJZ3范围的传力分析
由楼板Y向正应力图可知，柱节点附近的楼板受拉，向核心筒剪力墙方向离节点一定距离后则受压，对照图6.3-1搭接柱的受力机理示意图，得知搭接柱下节点处受到梁负弯矩和梁板压力的综合作用，梁负弯矩使该处楼板受拉，而梁板的压力则使柱与核心筒剪力墙之间的梁板受压，由于节点附近梁负弯矩的作用较大故使综合作用的结果为该处楼板受拉，而逐步远离节点处梁负弯矩的影响逐渐减弱，则楼板受压的作用逐渐占主导地位。DJZ3对应楼板最大压应力为1.2MPa，远小于楼板混凝土（C30）的抗压强度设计值fc=14.3 MPa，可知混凝土处于弹性；DJZ3对应柱周边楼板最大拉应力为1.9MPa，得所需配置的板面加强筋为Φ12@100；查得，DJZ3对应梁的轴力为-1455.7kN（受压），平均压应力为1.12MPa，可见远小于fc，混凝土处于弹性。
由楼板剪应力图可知，DJZ3传力路径对应楼板最大剪应力为0.9MPa，单层配置Φ8@200的板筋即可满足抗剪弹性要求，故实配双层双向Φ12@200构造拉通筋可满足要求。可见，由于DJZ3传力路径正对核心筒剪力墙的平面内，故楼板传力以正应力为主。
由楼板Y向正应力图可知，节点到核心筒剪力墙之间的传力路径楼板均受拉，其中柱节点附近的楼板受拉较大，其余区域受拉较小，对照图9搭接柱的受力机理示意图，得知搭接柱上节点处受到梁负弯矩和梁板拉力的综合作用，楼板的拉应力分布特征与该综合作用吻合。DJZ3对应楼板最大合理平均化的拉应力为1.67MPa，按控制钢筋应力为200MPa，得所需配置的板筋为双层12@120；查得，DJZ3对应梁的最大轴力为737kN（受拉），平均拉应力为0.57 MPa，配8Φ25的附加拉筋可满足梁受拉弹性的要求。
由楼板剪应力图可知，DJZ3传力路径对应楼板最大剪应力为1.73MPa，双层双向配置Φ10@150的板筋可满足抗剪弹性要求。可见，由于DJZ3传力路径正对核心筒剪力墙的平面内，故楼板传力以正应力为主。
b.梁和柱的应力分析（以DJZ3为分析对象）
1.35DL+0.98LL荷载工况组合下，二层搭接柱DJZ3及上（三层）、下层（二层）梁的应力图分别如图16~图18所示。
图18 搭接柱及梁XY向剪应力
区域较大，最大平均化拉应力为1.33MPa，按控制钢筋应力为200MPa，得所需配置的搭接柱面内水平箍筋为Φ12@120（6）；由竖向Y向应力图可
知，上下柱间在搭接柱内存在明显的斜压传力途径，斜压区以外的压应力明显减小，最大压应力为15.43MPa，可见远小于fc=27.5 MPa，混凝土处于弹性；由剪应力图并对比竖向应力图可知，对应斜压应力较小的区域，剪应力则相应较大，最大剪应力位于左上角和右下角区域，适当平均化的最大剪应力为3.4MPa，双向配置Φ12@100（6）的水平箍和竖向分布筋可满足抗剪弹性要求。
（2）.等效弹性大震最大组合作用下搭接柱配筋设计
偏于安全地，以等效弹性大震的组合内力进行配筋设计，以控制搭接柱满足大震抗剪弹性，抗拉抗弯不屈服的抗震性能目标。
a.楼板应力和梁轴力
大震标准和基本组合下搭接柱下层（二层楼面）和上层（三层楼面）楼板最大应力图分别图19~图22所示。
弹性；DJZ3对应柱周边楼板最大拉应力为3.0MPa，钢筋按标准强度，得所需配置的板面加强筋为Φ12@100。
由楼板剪应力图可知，DJZ3传力路径对应楼板最大剪应力为1.15MPa，单层配置Φ10@150的板筋即可满足大震抗剪弹性要求。
对比前述竖向最大基本组合分析可知，搭接柱DJZ3下层梁板配筋大震略大，但按构造配筋基本满足要求。
由楼板Y向正应力图可知，DJZ3对应楼板最大合理平均化的拉应力为3.83MPa，钢筋取标准强度，得所需配置的板筋为双层Φ12@140。
由楼板剪应力图可知，DJZ3传力路径对应楼板最大剪应力为2.67MPa，双层双向配置Φ10@120的板筋可满足大震抗剪弹性要求。
对比前述竖向最大基本组合分析可知，搭接柱DJZ3上层梁板配筋抗剪由大震控制，抗拉抗弯由竖向荷载组合控制。
b.梁和柱的应力分析
二层搭接柱DJZ3及上（三层）、下层（二层）梁的大震标准组合和基本组合应力图分别如下所示。
图25 搭接柱及梁在大震基本组合下最大XY向剪应力
由水平X向应力图可知，搭接柱面内水平最大平均化拉应力为1.22MPa，钢筋取强度标准值，得所需配置的搭接柱面内水平箍筋为Φ8@200（6）；由竖向Y向应力图可知，最大压应力为18.2MPa，小于fcｋ=38.5MPa，混凝土处于基本弹性；由剪应力图可知，适当平均化的最大剪应力为2.9MPa，双向配置Φ10@120（6）的水平箍和竖向分布筋可满足大震抗剪弹性要求。
对比前述竖向最大基本组合分析可知，搭接柱配筋由竖向最大基本组合配筋控制。
综上所述，搭接柱有限元分析结果表明，搭接柱构件除楼板的抗剪外，配筋基本由竖向最大组合或者构造配筋控制。
3.手工核算方法与弹性平面有限元法的对比
对比两者设计配筋的结果可知，手工核算方法可包络平面有限元法，是偏于安全的设计方法，应允许采用手工核算方法进行简化设计。
三、结论
1、搭接柱有限元分析结果表明，搭接柱构件除楼板的抗剪由大震抗剪弹性确定外，配筋基本由竖向最大组合或者构造配筋控制。
2、对比两者设计配筋的结果可知，手工核算方法可包络平面有限元法，是偏于安全的设计方法，应允许采用手工核算方法进行简化设计。
参考文献：
1、高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）
2、建筑抗震设计规范（GB 50011-2010）
3、《复杂高层建筑结构设计》（由徐培福主编，傅学怡、王翠坤、肖从真参与编著）
4、姚永革，邓永伦等. 青年荟大厦项目抗震超限设计可行性论证报告；广州瀚华建筑设计有限公司。2018
论文作者:邓永伦,黄祖桓,陈焕恩
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第26期
论文发表时间:2019/7/17
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