外轮廓扭转建筑的结构平面布置方法比较

外轮廓扭转建筑的结构平面布置方法比较

[摘要] 某超高层办公楼为外轮廓扭转建筑，平面每层转动一定角度，转动多层后形成立面扭转的效果。在外轮廓转动部位布置框架柱时，框架柱沿着外轮廓转动部位有较大变动，形成倾斜框架柱，对结构本身产生扭矩，使结构处于受力不利状态。对此进行优化,将框架柱布置在外墙内一定位置，框架柱能竖直上下，形成“建筑扭转结构不扭转”的效果，结构不再承担扭矩，结构主体和构件受力合理，较好实现了建筑功能目标。

[关键词] 超高层外轮廓扭转倾斜框架柱扭矩优化

一.工程概况：

某超高层办公楼，裙楼5层，主楼39层，位于裙楼中部，170米高。主楼平面为五边形，中间为核心筒，采用钢筋混凝土框架核心筒结构体系。从裙楼以上，主楼的外轮廓上有三个立面每层转动一定角度，即楼层的外轮廓部分的三个立面相对于上层或下层有一个角度错位，直到顶层，经过三十多层的转动，转角处移动的距离最大近30米，建筑立面有一个较好的效果，平面图见图一。

针对该工程建筑专业的特点，结构平面的布置尤其是竖向构件非常重要，下面采用了两种方法进行结构体系的分析，并进行综合比较，采用合理优化的结构平面布置。

二.传统的结构平面布置方法：

按传统的框架核心筒结构布置方法，主楼楼层中心为核心筒，外轮廓处设框架柱，一般将框架柱在外轮廓上均匀布置，同时在结构平面外轮廓转动部位设框架柱，因此结构平面外轮廓转动部位的框架柱随着外轮廓的扭转逐渐沿着立面处倾斜一直到顶，即形成“结构和建筑同时扭转”，能基本实现建筑功能目标。标准层结构平面见图二。

图一图二

对此种结构形式进行分析，顺外轮廓转动的框架柱为倾斜框架柱，倾斜方向为沿着扭转方向平行于外轮廓的立面。柱的受力分为两部分。一部分为向下

的重力，另一部分为平行于立面方向的水平推力。转角处从下到上移动的距离最大近30m，而转动的楼层在裙楼以上为34层，平均每层外轮廓转动部位移动约0.9m，而标准层层高为4.2m，按此关系可根据柱的轴力计算出水平推力。该水平推力形成对核心筒的水平扭矩，扭矩方向与外轮廓扭转方向相反，即外轮廓扭转为顺时针方向时，对核心筒的扭矩则为逆时针方向。每根倾斜框架柱和每层倾斜框架柱都会产生扭矩，本工程每层有三根倾斜框架柱，所有的倾斜框架柱产生的扭矩到不转动的楼层时累积会非常大，但全部都要由结构自身平衡，即由核心筒承担扭矩。在扭矩的传递途径中，结构构件均会加大截面且受力复杂，一是楼面板要加厚，加大配筋，把扭矩传递到核心筒上；二是核心筒的外墙要加厚加强，能够抵抗住扭矩；三是核心筒下基础既要考虑竖向荷载，又要考虑扭矩，需要在基础四周设置斜桩，以便将扭矩传到地基上，保证结构主体的稳定。这样虽保证了结构安全，也基本满足了建筑功能要求，但结构体系始终处于一种受力不利的复杂状态。

对此种传统的结构方案采用ETABS计算，主要指标见下表：

对主要楼面如七层，该层是外轮廓扭转的主楼上的起始楼层，对正常使用状态下的楼板进行应力分析，七层楼板要做到300厚，且配筋达到 22@150。其他上部楼层的楼面板也需加厚，配筋也较大。

核心筒承担外框架柱产生的扭矩，六层以下核心筒承担全部扭矩，对五层以下核心筒外墙进行应力分析，核心筒外墙须做到1000厚，且配筋达到 25@150。

对核心筒下承台布桩，除满足上部荷载的竖向布桩外，尚应在四周布置斜桩，且均为大直径桩。

以上结构的扭转效应的结果表明按此形式建成后结构会始终处于一种复杂的受力状态。

三.优化的结构平面布置方法：

在传统的结构平面布置方法中，因竖向构件的扭转而形成了结构的受力复杂状态。对此种情况进行优化，先考虑在扭转部分的外墙处不设框架柱，外墙下设梁，把框架柱设在外墙里面一定的位置。框架柱和核心筒间设框架梁，在框架梁方向上框架柱向外设悬挑梁，支承外墙下的梁。外轮廓部分的扭转由结构每

层悬挑出去的楼面的定位变化而实现。每层结构楼面逐渐扭转，和一般框架核心筒结构一样，框架柱能竖直上下，形成“建筑扭转结构不扭转”的效果。框架柱只有竖向力，不产生顺外轮廓处的水平推力，核心筒上不再承担扭矩,外墙厚度也相应减小。外轮廓转角可采用装饰柱，形成更好的立面效果，使得外轮廓扭转建筑的扭转效果得到最大实现。标准层结构平面见图三。

同时对结构也须采取一些相应的处理措施。

当框架柱上伸出的支承外墙的悬挑梁长度较大时，可采用如下方法解决：一是在悬挑梁下设斜撑。二是将框架柱在局部楼层向外倾斜，但倾斜方向为框架柱与核心筒的连接方向，即沿着框架柱和核心筒之间布置框架梁的方向，以保证不对核心筒产生扭矩，仅产生很小的拉力，可由核心筒平衡。

当外轮廓扭转使外墙内收以致与框架柱碰撞时，可将框架柱局部向内倾斜，但倾斜方向为柱与核心筒的连接方向，即沿着框架柱和核心筒之间布置框架梁的方向，以保证不对核心筒产生扭矩，仅产生很小的推力，可由核心筒平衡。

图三

以上的两种措施中也有斜柱，但此种斜柱的受力与传统方法中的斜柱截然不同，倾斜的程度较小，且不对结构产生扭矩，仅产生较小的推拉力可对结构影响很小。

对此种优化的结构方案采用ETABS计算，主要指标见下表：第一周期最大层间位移最大扭转位移比对结构中心的扭矩

3.7S 1/1330(X) 1.17(X) 23000 kN.m

因核心筒外墙厚度改为600，周期和位移增加，但扭转位移比减小，对主要楼面如六层，已不承担扭矩，进行地震和风荷载下的应力分析，主楼范围内楼板核心筒内只需做到150厚，核心筒外为130厚，以上楼层核心筒外为120厚，且配筋也仅为 12@150。核心筒也不承担扭矩，不进行应力分析。核心筒下承台布桩，只考虑竖向布桩，不需要在四周布置斜桩。

四.方案比较：

先从技术方面进行比较，见表三：

从以上的比较中可看出，优化的结构受力处于正常状态，和正常的框架核心筒结构受力基本无区别。工程量（混凝土和钢筋用量）有明显减少，则相应的造价和工期会有一定降低和缩短。

将两个方案进行综合性比较,见表四：

五.结论：

通过以上的分析和比较，结构方案在满足建筑要求的前提下，可以有不同的方法，但最终采用的方法一定要进行结构体系的优化。对于建筑功能较复杂时，应采用最简单的结构型式，最简单的施工工艺，最短的工期和最经济的造价实现业主的目标和要求，能获得较好的经济效益和社会效益。

参考文献：

[1]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S],中国建筑工业出版社,2010.

[2]JGJ3-2002 高层混凝土结构技术规程[S],中国建筑工业出版社,2002.

[3] ETABS中文版使用指南北京金土木软件技术有限公司

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。