一种超高层建筑腰部外框斜柱的结构优化设计方法

1.本发明涉及建筑结构技术领域，具体地说是一种超高层建筑腰部外框斜柱的结构优化设计方法。


背景技术：

2.利用了钢管混凝土柱具有较高的抗压性能，超高层结构常采用钢管混凝土柱-核心筒结构。参考美国相对较为成熟的设计方法，近年来国内也较多采用了钢梁与钢管混凝土柱、核心筒均采用螺栓铰接，水平荷载主要由核心筒承担，外框柱主要承担竖向荷载的重力柱-核心筒结构。
3.赵剑利等对福建大厦裙房外侧的斜柱布置方案对比分析，结果显示，设置悬挑梁过渡层比裙房斜柱与主体柱直接相交的方案更为合理，可解决斜柱相交截止处的刚度突变问题。此外，斜柱-梁形成的框架结构由于上部收进楼层梁长度的减小而造成刚度增加，适当调整梁柱连接刚度对结构在水平地震下的响应更为有利。在超高层框架-核心筒结构中，传统直线斜柱顶端和底部与核心筒连接梁在竖向载荷下受力较大，而斜柱区段中部与核心筒的连接梁承担的拉压力非常小，这种情况造成斜柱顶端和底部的连接梁对核心筒产生较为不利的水平力作用，大大增加了核心筒构造和配筋的难度。


技术实现要素：

4.本发明提供一种超高层建筑腰部外框斜柱的结构优化设计方法，本发明针对该结构的腰部外框斜柱及周边构件进行优化和分析，提出适用于该类结构的斜柱设计简化计算模型，进而分析斜柱的收进距离-倾斜角度变化对结构传力机制的影响，提出适用于该类斜柱收进结构的优化设计方法，为同类型的结构方案设计提供参考。
5.为实现以上发明目的，本发明的结构优化设计方法包括以下步骤：
6.s1、分析超高层建筑框架-核心筒结构的斜柱常规设计方法下的受力情况及简化原理；
7.s2、根据高层框架-核心筒结构的腰部斜柱区段在整体模型中的受力特征，建立简化的斜柱力学模型；
8.s3、忽略竖向荷载对各层支座处产生的弯矩，根据力的平衡条件求得斜柱范围水平连接梁的轴力与层间收进距离间的关联公式；
9.s4、为使连接梁受力更为均匀，设定斜柱区各层优化后的连接梁间轴力相等，从而推导出所需匹配的各层层间收进距离计算公式；
10.s5、根据计算结果完成斜柱及其连接梁的优化设计。
11.s4中所述的“优化后的连接梁”包括受拉的连接梁和受压的连接梁。
12.优选的，在s2中，根据高层框架-核心筒结构中的下部斜柱区段在整体模型中的受力特征考虑斜柱仅承担竖向荷载，忽略斜柱范围内各楼层竖向荷载传递的弯矩和剪力，将连接梁简化为斜柱的跨中铰支座，忽略对斜柱顶部和底部的转角约束，从而建立简化的斜
柱力学模型。
13.优选的，在s4中，可通过调整斜柱区各层的收进距离使斜柱区各层收进距离和相应层高所确定的倾斜角度相应变化，以实现使斜柱区各层水平连接梁的受力均匀，从而使核心筒所受到的对应水平力也相对均匀，进而实现斜柱区结构的优化目标。
14.本发明提出了一种超高层框架-核心筒结构的腰部外框斜柱的结构设计及优化方法，首先分析斜柱常规设计方法下的受力情况及简化可行性。第二步根据框架-核心筒结构的腰部斜柱区段在整体模型中的受力特征，考虑斜柱仅承担竖向荷载，忽略斜柱范围内各楼层竖向荷载传递的弯矩和剪力，将连接梁简化为斜柱的跨中铰支座，忽略对斜柱顶部和底部的转角约束，由此建立简化的斜柱力学模型。第三步则是忽略竖向荷载对各层支座处产生的弯矩，根据力的平衡条件求得斜柱范围水平连接梁的轴力与层间收进距离间的关联公式。第四步为使连接梁受力更为均匀，设定优化后的连接梁受拉的连接梁间轴力相等、受压的连接梁间轴力亦相等，从而推导出所需匹配的各层层间收进距离计算公式，进而可简单明了地实现使斜柱范围各层连接梁受力均匀的目标。
15.本发明的优化设计方法通过调整斜柱区各层的收进距离，使各层收进距离和相应层高所确定的倾斜角度相应变化，实现了优化斜柱上下连接构件的受力体系，可有效减小斜柱上下层与核心筒连接梁的拉压力，结构受力体系更为合理。
附图说明
16.图1为本发明实施例的优化设计方法流程图。
17.图2为本发明实施例所涉及典型项目的斜柱区三维模型示意图。
18.图3为本发明所实施例所涉及的竖向荷载作用下斜柱区构件受力示意图。
19.图4为本发明实施例所涉及的简化斜柱力学模型。
20.图5为本发明实施例所涉及的斜柱优化设计模型。
21.图6为本发明实施例所涉及的斜柱区第i层水平连接梁与斜柱连接节点的受力简图。
22.图7为本发明实施例所涉及的斜柱角度优化后的斜柱力学模型。
23.图8为本发明实施例所涉及的斜柱角度优化后的斜柱区构件受力示意图。
具体实施方式
24.为更好地理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步的说明，但本发明的实施方式不限于此。
25.图1示出了本发明的结构优化设计方法流程图，包括：s1、分析超高层建筑框架-核心筒结构的斜柱常规设计方法下的受力情况及简化原理，下面以某典型项目为分析目标，阐述本发明的设计方法。某典型项目为48层框架核心筒结构，结构高度203.05m，为了达到建筑收进的造型，在5～11层有立面收进形成斜柱区域，斜柱区结构三维模型见图2。常规设计时，斜柱区各层倾斜角度均相同，且考虑取尽量小的斜柱倾斜角度，以减小斜柱上方直柱竖向力在斜柱底所产生的偏心弯矩，同时根据建筑立面收进效果的需求，从而确定斜柱的角度(与垂直面的角度)为11.23度，水平投影a为5.84m，标准层层高h为4.2m，垂直高度h为29.4m。
26.根据该典型项目整体结构模型分析结果，混凝土核心筒承担了95％以上的水平力作用，钢管混凝土外框柱所承担水平荷载仅不到5％。因此，简化斜柱模型时首先考虑斜柱仅承担竖向荷载(恒荷载+活荷载)。
27.该典型项目作用于5～11层斜柱的上部荷载较大(37层)，斜柱范围内层数则相对较少，故简化模型忽略斜柱范围内各楼层竖向荷载传递的弯矩和剪力。
28.外框柱与核心筒连接梁跨高比较大，故可将连接梁简化为斜柱的跨中铰支座。
29.分析整体模型计算结果，斜柱顶部所受的弯矩作用和底部与直柱连接的转角约束作用对相连水平杆件的受力影响较小，而本发明优化设计重点在于优化相连水平杆件的受力，故简化模型忽略对斜柱顶部和底部的转角约束。
30.s2：根据框架-核心筒结构中下部斜柱区段在整体模型中的受力特征(见图3)考虑斜柱仅承担竖向荷载，忽略斜柱范围内各楼层竖向荷载传递的弯矩和剪力，将连接梁简化为斜柱的跨中铰支座，忽略对斜柱顶部和底部的转角约束，由此建立简化的斜柱力学模型。简化后的斜柱力学模型详见图4。
31.s3：忽略竖向荷载对各层支座处产生的弯矩，根据力的平衡条件求得斜柱范围水平连接梁的轴力与层间收进距离间的关联公式，详见公式(2)～(4)，对应公式参数及斜柱模型的优化受力简图详见图5。
32.结合简化的斜柱模型图(图4)，设斜柱范围总高度为h，各层层高为hi；斜柱水平收进总距离设为a；各层收进距离为ai，层间收进距离为δi，(i＝1,2,
…
,n)；各层连接梁轴力为fi，ti为斜柱轴向力，(i＝0,1,
…
,n)。
33.以斜柱区第i层水平连接梁与斜柱连接节点的节点受力进行分析，可知对应节点受力示意图如图6示。
34.根据连接节点处力的平衡条件，可得
35.进而可推导求得fi和δi如下(公式1～3)。
[0036][0037][0038][0039]
s4：为使连接梁受力更为均匀，设定优化后的连接梁受拉的连接梁间轴力相等、受压的连接梁间轴力亦相等，从而推导出所需匹配的各层层间收进距离计算公式，进而可简单明了地实现使斜柱范围各层连接梁受力均匀的目标。
[0040]
步骤四的具体公式推导过程如下：
[0041]
考虑高层建筑一般层高变化不大，斜柱范围各层层高统一为h。
[0042]
为使连接梁受力更为均匀，设定优化后的连接梁受力满足公式2～6，其中
[0043]
当n＝2k+1时，连接梁总数为偶数，受拉梁与受压梁数量相等；当n＝2k时，连接梁总数为奇数，考虑斜柱层范围重力荷载作用下，下层混凝土梁受拉力比上层梁受压力较大，受拉梁比受压梁数量多1。
[0044]f拉
＝f0＝f1＝...＝fkꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式(5)
[0045]f压
＝f
k+1
＝f
k+2
＝
…
＝fnꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式(6)
[0046]
由以上公式(2)～(6)可得：
[0047]
当n＝2k+1时，
[0048][0049][0050]
当n＝2k时，
[0051][0052][0053]
通过本发明提出的计算公式(2)可见，当下层斜柱倾斜角度大于上层时，δi大于δ
i+1
，该层连接梁正向受拉；反之，δi小于δ
i+1
，该层连接梁负向受压；各楼层斜柱角度相等时，中间各层连接梁均为0杆。
[0054]
以下把数据代入前述公式中进行计算。以5～11层a-6轴斜柱倾斜最大的斜柱为例，分析斜柱与核心筒连接拉梁的受力情况，结果见表1。其中f0～f7为连接梁轴力(向右受拉为正)，如图4所示。
[0055]
表1竖向荷载标准值作用下斜柱及连接梁轴力计算结果
[0056][0057]
由表1简化模型的数据分析得：
[0058]n·
a＝38472.4kn
×
5.84m＝224678.82kn
·
m；f
·
h＝-7642.1kn
×
29.4m＝224678.82kn
·
m；
[0059]
可知其竖向偏心弯矩(n
·
a)主要通过5层和11层与核心筒连接梁的拉压力形成的力偶(f
·
h)相平衡。
[0060]
同时由表1可知，斜柱区各层倾斜角度均相同时，中部杆件的承担的拉压力非常小，即中间楼层的连接梁所发挥拉结作用也较为有限，导致5层和11层的框架连接梁对核心筒产生了较为不利的水平力作用，大大增加了核心筒构造和配筋的难度。
[0061]
因此，考虑通过优化各层斜柱的倾斜角度，解决此问题。
[0062]
根据本实例项目信息，斜柱区段为5～11层，斜柱水平投影5.84m，即n＝7，k＝3，a＝5.84m；根据表1，n＝-38472.4kn。
[0063]
根据本发明中公式(7)，可得：
[0064][0065]
由本发明中公式(5)～(6)，可知：
[0066]f拉
＝f0＝f1＝f2＝f3＝3343.4kn
[0067]f压
＝f4＝f5＝f6＝f7＝-3343.4kn
[0068]
根据本发明中公式(8)，可得斜柱段在各层层间水平收进距离如下：
[0069][0070]
[0071][0072][0073][0074][0075][0076]
经优化后，斜柱区各层连接梁的最大轴力仅为常规设计方案相应最大轴力的44％(3343.4/7642.1＝44％)，可有效避免水平力集中对核心筒设计的不利影响。
[0077]
通过以上计算所得到的斜柱区各层层间水平收进距离，可方便地进行斜柱优化设计，优化后的斜柱区受力简图如图7所示，优化后的斜柱区构件受力示意图如图8所示。
[0078]
通过改变各层斜柱的角度从而实现了让斜柱区域中间楼层的连接梁能均匀发挥其拉结作用的目的；使各层斜柱连接梁均承担一定的水平力，达到斜柱区的优化设计目标。
[0079]
综上所述，本发明提出的优化设计方法能有效解决整体模型中斜柱区域中间楼层的连接梁所发挥拉结作用有限的问题。
[0080]
能较简便地通过改变斜柱区各层的收进距离，使各层斜柱连接梁均承担一定的水平力，从而实现更合理受力的优化目标。
[0081]
通过斜柱区段水平连接梁的受力优化，能有效避免水平力集中对核心筒设计的不利影响，可提高斜柱区中间楼层水平连接梁的利用效率，降低核心筒的用钢量，提升整体结构的经济性。
[0082]
本发明保护范围不局限于上述具体实施方式，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均落在本发明的保护范围之中。

技术特征：
1.一种超高层建筑腰部外框斜柱的结构优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：s1、分析超高层建筑框架-核心筒结构的斜柱常规设计方法下的受力情况及简化原理；s2、根据高层框架-核心筒结构的腰部斜柱区段在整体模型中的受力特征，建立简化的斜柱力学模型；s3、忽略竖向荷载对各层支座处产生的弯矩，根据力的平衡条件求得斜柱范围水平连接梁的轴力与层间收进距离间的关联公式；s4、为使连接梁受力更为均匀，设定斜柱区各层优化后的连接梁间轴力相等，从而推导出所需匹配的各层层间收进距离计算公式；s5、根据计算结果完成斜柱及其连接梁的优化设计。2.根据权利要求1所述的一种超高层建筑腰部外框斜柱的结构优化设计方法，其特征在于：s2中，根据高层框架-核心筒结构中的下部斜柱区段在整体模型中的受力特征考虑斜柱仅承担竖向荷载，忽略斜柱范围内各楼层竖向荷载传递的弯矩和剪力，将连接梁简化为斜柱的跨中铰支座，忽略对斜柱顶部和底部的转角约束，由此建立简化的斜柱力学模型。3.根据权利要求1所述的一种超高层建筑腰部外框斜柱的结构优化设计方法，其特征在于：s4中所述优化后的连接梁包括受拉的连接梁和受压的连接梁。4.根据权利要求1所述的一种超高层建筑腰部外框斜柱的结构优化设计方法，其特征在于：s4中，可通过调整斜柱区各层的收进距离使斜柱区各层收进距离和相应层高所确定的倾斜角度相应变化，以实现使斜柱区各层水平连接梁的受力均匀，从而使核心筒所受到的对应水平力也相对均匀，进而实现斜柱区结构的优化目标。

技术总结
本发明公开了一种超高层建筑腰部外框斜柱的结构优化设计方法，属于建筑结构技术领域。本发明的设计方法包括：分析超高层建筑框架-核心筒结构的斜柱常规设计方法下的受力情况及简化原理；根据高层框架-核心筒结构的腰部斜柱区段在整体模型中的受力特征，建立简化的斜柱力学模型；根据力的平衡条件求得斜柱范围水平连接梁的轴力与层间收进距离间的关联公式；设定斜柱区各层优化后的连接梁间轴力相等，从而推导出所需匹配的各层层间收进距离计算公式；根据计算结果完成斜柱及其连接梁的优化设计。本发明可有效减小斜柱上下层与核心筒连接梁的拉压力，结构受力体系更为合理。结构受力体系更为合理。结构受力体系更为合理。


技术研发人员：柯宇 潘广斌 凌劲 陈映瑞
受保护的技术使用者：华南理工大学建筑设计研究院有限公司
技术研发日：2023.07.03
技术公布日：2023/10/7