03高层框筒结构底部几层屋梁独立角柱抗震设计的若干问题

第!"卷第##期建筑结构$%%"年##月高层框筒结构底部几层无梁独立角柱抗震设计若干问题

魏琏时刚王森

（上海魏琏工程结构设计事务所深圳部"#&%!’）

［提要］高层框筒结构底部几层无梁独立角柱在水平地震作用下的受力复杂。设计中可以采用增强边跨无梁框架的刚度、考虑双向地震动的作用、合理计算角柱的侧向刚度和采取相应的构造措施等方法增强角柱的抗震性能。实例计算结果表明，正确的设计可以使独立角柱在罕遇地震下具有足够的承载能力。

［关键词］独立角柱抗侧刚度稳定性抗震设计

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B前言

《高层钢筋混凝土结构技术规程》（N0N!—$%%$）［#］

以及《建筑抗震设计规范》（0O"%%##—$%%#）［$］中对于

角柱的设计均给予了较大的关注。由于建筑功能的需

要，有时候框筒结构在底部角柱处开设较大的入口，导

致角柱在底部几层无梁板连接而形成了一个仅在上下

有约束连接的独立角柱（见图#,）。这类底部独立角柱

显然是高层框筒结构的一个明显的薄弱环节，需要在

设计上采取必要的措施以保证结构的安全：#）具有独

立角柱的底部框架，其抗侧刚度明显弱于全部有梁柱

的框架，除本侧刚度削弱以外，还在底部与对侧框架形

成不对称，为防止结构的扭转，需要增强其抗侧刚度，

改善结构底部对称性；$）抗震规范规定对质量和刚度

明显不对称的结构，应计入双向水平地震力作用的不

利影响；!）在水平地震作用下，与独立角柱顶部连接的

楼盖平面内受力复杂，需对该楼层平面内的不利应力

状况进行分析，并采取妥善构造措施；’）由于底部几层

没有梁板的侧向约束，独立角柱的自由长度大大增加，

除要考虑结构的!"!效应外，尚应考虑可能出现的柱

的压屈问题；"）罕遇地震下独立角柱的受力性能与抗

震安全性需作分析验证。下面通过一个工程实例对以

上问题进行论述。

C边跨无梁框架的刚度

独立角柱一侧的框架相当于一个边跨无梁的多层

行梁柱刚度调整，使调整后的边框无梁框架的刚度达到与一榀完整框架刚度!!基本一致。经计算，梁柱截面尺寸调整结果见表!。

框架抗侧刚度

表!

框架情况梁截面柱截面抗侧刚度

完整框架"##$%##%##$%##!!

边跨无梁

框架不加强梁柱刚度"##$%##%##$%##!&’#()#!!

增加梁刚度"##$)##

%##$%##

!!增加柱刚度

"##$%##!*##$!*##!!同时增加梁柱刚度

"##$%+#!&##$!&##

!!

上表分析说明，通过增强梁柱截面的方法调整边跨无梁框架的刚度是便捷可行的。"

双向地震作用的考虑

抗震规范规定：对于质量和刚度分布明显不对称的结构，应计入双向水平地震力作用下的扭转影响。对于结构中的独立角柱应考虑双向地震作用的影响，按照双偏压计算其内力。双向水平地震作用的地震反应，按下列公式中的较大值确定：

",-#

"&.$（#()+"/）!

&或

",-#

"&/$（#

()+0%）!&式中，".，"/分别为%，&向单向水平地震作用计算的

地震反应（内力和位移）。

水平地震作用下与独立角柱顶部连接楼盖平面内将产生较复杂的应力状态，应采用,1230，024&###等功能较完善的有限元分析软件，考虑楼层平面内的变形，对整个结构进行整体分析，求出楼盖平面内的应力分布，并根据计算结果进行配筋构造，对应力较大的区域作必要的加强。#

独立角柱的稳定性

当框筒结构底部几层为独立角柱时，该角柱在其受力区域上部几十层的巨大重量作用下，必须要考虑柱的稳定性。

一般独立角柱的设计，其截面尺寸会远大于其他柱和顶底与其相连的水平构件的截面尺寸，在进行稳定验算时，可将其近似视为底部无侧移。由于独立角柱顶部的梁与角柱相比较弱，为安全起见，忽略梁的弯矩和轴力对角柱的影响，而角柱顶部简化成有刚度!的弹簧约束，如图&所示。当角柱为圆柱时，其失稳方向是任意的，所以应针对具体框筒结构求出角柱顶部水平方向的侧移刚度!，取其最小值!567

为水平约束构件的刚度值。结构的稳定计算可采用有侧移刚架的

稳定计算理论［8］，刚构失稳时的判别式为：

’9#（""(）（")(）*（"+(

）&##（!

）将求得的最小侧移刚度!567

代入上式中：’9#（""(）（!567$")(）*（"+(

）&##（&）式中，0(代表节点各杆件的转动刚度（图"），":23’

8,!!!（"），)

(代表节点各杆件的侧移刚度，)4

23

#!&,!-&!&（"）*"&

［］

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代表节点各杆件的相干系数［8］

，+:23#**,!!&（"）／-!!（"）#

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）

其中："’-.／!,/，!’/／-，,，/分别为杆件的弹性模量及截面惯性矩；-为23杆长度。

可以看出，图"中杆件23在临界压力.作用下，":23，):23，+:23均为临界压力.的函数，由此可以求得当等式成立时的临界压力值.。