某办公楼穿层柱受力分析及应用探析

王梅芳 （安徽南巽建筑规划设计院有限公司，安徽 合肥 230011）

0 前言

目前的建筑设计对空间的多变性要求越来越高，例如建筑大堂、门厅、下沉式广场、大中庭、宴会厅、立面凹造型等等各种穿层高大空间的使用变得越来越多。常用的穿层高度为2～3 层，穿层区域面积占本层面积的大小对结构模型的假定及穿层柱分析方法的选取都有一定的影响。结构设计中，合理处理这些非常规构件，确保结构安全的前提下，让结构设计便捷、快速、易于实现也是结构师应解决的问题。本文从实际出发，采用了不同的方法对穿层柱进行理论分析，选取最适合此类工程的设计方法。

1 工程概况

该项目位于安徽合肥，地上有2 幢高层办公楼分别为23 层（1#楼）和18 层（2#楼），下设三层地下车库。1#楼和2#楼均采用框架-核心筒结构，1#楼裙房为3层商业，采用框架结构。1号楼及裙房底层位置入口大堂与下沉式广场位置因功能需要楼板开洞，形成穿层柱。针对穿层柱做了多种方法进行分析，使其设计安全合理。

2 穿层柱的成因分析及设计要求

穿层柱顾名思义就是超过一层，其形成原因多是为满足大空间的需求或者是因为功能不同，对层高的要求不同，将局部楼板开洞造成的，导致部分框架柱在楼层位置无法设置框架梁与之相连，或者只设置单方向与其相连，从而形成长短柱共用的情况。穿层柱除计算长度与楼层柱不相同外，在整体分析中所承担的地震剪力也发生变化。力流是根据竖向构件刚度进行分配的，穿层柱由于其高度相对常规楼层柱，柱截面相同的情况下，计算长度加大，刚度就会减小，在计算分析过程中分配的地震剪力较小，从而导致计算配筋比楼层柱小。

计算分析中应考虑多种可能性，例如中震、大震中出现短柱先破坏，失去抗震能力后，地震剪力全部转由长柱承担的可能性。设计过程中不仅应考虑短柱、长柱的安全，楼板转递地震作用的能力也不能忽视。故“关于超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术把关”的要求中建议:首先要判断对楼盖整体性的影响情况，开洞对楼盖整体性影响较小的可以按常规方法进行补充计算，采用构造措施进行加强；若开洞对楼盖整体性影响较大，就不能视为独立的一个楼层计算时，建议与相邻层并层进行计算分析;并仔细复核并层后相邻上下楼层的刚度比和承载能力比，避免同时出现软弱层和薄弱层的情况。其次，开洞较大时，局部楼板建议按大震作用下复核楼板平面内的承载力;另外，框筒结构中框架柱在多道防线调整的基础上，外框的长柱要按楼层柱的剪力复核其承载力;特殊情况下楼层框架短柱建议按大震安全复核承载力，确保存在穿层柱的楼层的结构安全性。

3 穿层柱的一些常规分析方法

建筑物的形式各式各样，有规则的，有异形的。一些常规建筑，形体比较规则，开洞对楼盖结构影响较小，形成的穿层柱数量较少，其高度也不大，且不在结构受力最不利位置如角部、平面转角处、细腰薄弱等位置，可以按照常规设计方法进行设计，采用构造方法进行加强处理。常用几种补充计算方法有长细比校核、参考柱法、并层计算法、空间分析法等。

3.1 长细比校核

根据《混凝土结构设计原理》，方形柱的长细比L0/b＜30（Lo 为柱的计算长度，b 为矩形截面的短边长，h 为长边长），当L0/b＞30 时，其属于细长柱，破坏时接近于弹性失稳，一般控制在L0/b =15 左右。由于长细比较大时柱的二阶效应明显，易失稳，故柱轴力较大时，应严格控制长细比；《建筑结构设计实用指南》中矩形框架柱截在之b及h应不小于（1/15～1/20）H(H 为层高)；《混凝土结构构造手册》（第五版）中框架柱的截面宜满足L0/b≤30；L0/h≤25。常规柱的长细比不会起控制作用，而穿层柱的高度较高时，就要注意长细比，出现长细比较大时，建议增大截面，确保安全。结合上述经验，主楼穿层柱截面取值为1200mmX1000mm，裙房柱截面为600mmX600mm。主楼L01 为8.4m，裙房L02 为12.6m。L0/b 分别为8.4 和21,均可满足经验值的要求。

3.2 参考柱法

常规建筑设计时，很多工程穿层柱数量很少、占比较小，并且结构整体布局规整，地震烈度不高，地震作用力不大时，可以采用简化设计，按同层相类似情况的普通框架柱所分配到的地震力作为参考或多个框架柱的平均值作用依据，对穿层柱进行单独核算。核算原则是：框架柱的轴力、计算长度等参数根据穿层柱实际情况取值，而地震力则是根据参考框架柱的地震力考虑，并结合《高层建筑混凝土结构技术规程》和《建筑抗震设计规范》要求进行相应的调整。这种方法简单易于操作，但是对工程经验的要求相对较高，对参考柱的选取也要结合以往的经验。还有个缺点就是地震力较高时，验算结果可能会相差较大，造成工程设计的浪费。本工程也做了相应分析，分析结果如表1所示。

由表1 可知：普通柱与穿层柱比较，非穿层方向两者计算配筋相差不大，仅相差2.45%，而穿层方向的计算结果比普通柱的配筋相差较大，差值为19%。为确保安全，设计时两者取包络进行配筋。

单独计算法普通柱与穿层柱的结果比较 表1

3.3 穿层合并法

穿层合并法从字面就可以理解，就是把含有穿层柱的两层或数层，合并为一层考虑，把开洞层作为层间板和层间梁来处理。模型分析时层高的取值为两层或数层的层高，计算分析时软弱层与薄弱层易出现在同一层，对结构安全不利，需要调整截面来满足各参数的需要，故得加大竖向构件的截面，调整截面后的合并后的模型还要与原模型（调整截面后）进行包络设计。

穿层合并法与参考柱法的设计思路基本是类似的，都是将周边参考框架柱或者将合并楼层后将地震力较为平均地分配给穿层柱和楼层柱，都是人为的假定穿层柱与楼层柱受到相同的地震力，都增大了穿层柱承担地震作用的能力。这样做最大的益处在于确保穿层柱不会比楼层柱先进入塑性状态，让结构的塑性变形发展方向不在假定范围内，造成结构整体破坏形式的不可控制。本计算方法分析结果如表2。

由表2 可知：采用穿层合并法普通柱与穿层柱的计算配筋差别不大，配筋差值在5%以内。

穿层合并法的普通柱与穿层柱的结果比较 表2

采用上述三种方法，对结构整体计算分析如表3。

由表3 可知，此工程采用三种模型，对结构整体参数影响较小，特别是完整模型与并层模型的配筋几乎差别，而开洞模型的计算配筋却相差较多，为确保结构局部安全，对开洞位置进行单独分析是必要的。

不同计算方法对结构整体的影响分析表 表3

3.4 空间模型计算分析

计算机辅助设计得到长足的发展，空间结构分析软件采用有限元的分析方法，可以对结构受力状况进行更为准确的模拟，模型的假定更为接近现状，从而能确定穿层柱较为真实的受力情况。

根据结构设计目标，考虑穿层柱在“中震不屈服”或“大震不倒”的要求下的受力状况分析，并根据设计要求的性能目标要求对计算结果做相应的调整。这种空间模型计算方法与实际受力情况较为接近，能更好地对关键构件进行分析，既能确保安全，又不会因为放大造成不必要的浪费。

4 专项设计方法

①对于整体结构较为简单、规则，但穿层柱长细比较大的情况，受建筑限制截面无法增大，可以考虑采用模型做法或有限元分析法对穿层柱进行专门的设计分析。

模型做法是钢筋混凝土细长柱挠曲失稳的近似计算方法，是一种以一般计算理论为基础的模型柱的简化计算，当穿层柱长细比过大时，此计算方法较为适用。

目前常用的软件如SATWE，对穿层柱的处理是程序自动搜索穿层柱信息，但地下室柱除外。故存在下沉式广场引起的穿层柱软件无法识别，要有足够的重视。另外，楼板刚性假定时，穿层柱是按层进行考虑，其计算长度系数与实际不同，故对穿层柱配筋时，不能采用强制刚性楼板假定。

②对于存在多项不规则的复杂高层建筑，出现穿层柱时，按常规设计方法，无法保证结构安全性，应进行专项设计。此类穿层柱的设计应结合结构整体大震下的弹塑性进程分析，并在分析中重点关注，穿层柱不能成为率先出现塑性铰的构件，并对穿层柱进行屈曲分析。屈曲分析首先要给出穿层柱的初始缺陷位移，然后再逐级加载，分析出导致柱失稳破坏的屈曲因子和屈曲模态，再结合罕遇地震穿层柱分配到的地震作用力，就可以判断出穿层柱的安全性。

5 构造加强措施

穿层柱大部分都是位于门厅等人员密集的部位，在抗震构造上建议加强，建议提高一度采取抗震构造措施。柱箍筋加密，箍筋直径12mm，箍筋间距100mm 并减小箍筋肢距，此措施可增加框架柱延性，地震发生时为提供时间为人员逃生或者事后救援；变形协调，可以考虑加强其相邻上下层楼板及相邻跨楼板，板厚宜做到150mm，采用双层双向配筋，配筋率不宜小于0.25%，确保上下楼层变形一致；楼层剪力调整，控制穿层柱所分配的地震力，原则上不小于楼层所有框架柱所受地震力的平均值，也不小于本层总地震剪力的1.5%，确保穿层柱地震作用下的安全性。

6 结论

①穿层柱设计时应验算其长细比，特别是因下沉式广场引起的穿层柱，要复核其长度系数的正确性。

②穿层柱分析应根据结构特点来单独进行分析，既要保存安全，也要经济合理，并且针对不同情况采取相应的加强措施。

③穿层剪力墙，特别是高层下层带商业的这类建筑，两层底商，经常会在剪力墙两侧设置楼梯，就必须正确判断墙体的约束情况，认真复核这类墙的稳定性，确保结构设计安全。