一种基于连续变向钢筋混凝土柱结构体系的设计方法与流程

本发明涉及钢筋混凝土结构领域，具体地，涉及一种连续变向钢筋混凝土柱结构体系的设计方法。

背景技术：

随着建筑技术的发展，建筑造型越来越多样化、复杂化，斜柱常常被局部或者大量运用到建筑中。斜柱的应用，使得结构体系的受力特点与常规结构不同。斜柱引起楼盖结构产生水平力，连续变向钢筋混凝土斜柱斜率不断变化，将引起不同层楼盖结构水平力的大小及分布均不同。斜柱竖向刚度小于普通直柱，竖向荷载作用下，斜柱与同层直柱的竖向位移差大小影响构件的受力状态，而且施工方案的不同，将会引起此位移差的不同，进而影响结构设计。因此，常规设计方法不考虑施工过程影响，不适用于连续变向钢筋混凝土柱结构体系。

技术实现要素：

(1)解决的技术问题：

连续变向钢筋混凝土柱结构体系的各层框架柱部分或全部为斜柱，且斜柱斜率不断变化。此结构体系与常规直柱结构不同，有如下几个方面的问题需要解决。

1结构设计必须结合施工方案

连续变向钢筋混凝土柱结构体系的竖向变形影响不可忽略，斜柱的竖向刚度与本层直柱或剪力墙构件竖向刚度差别很大，在竖向荷载作用下的斜柱与直柱或剪力墙变形值有较大差异，此位移差将影响结构构件内力的大小及分布。结构设计必须考虑此变形差异对结构受力状态的影响。施工过程中，施工方案尤其是各层卸载时间影响到结构竖向变形的大小，各层卸载时间的不同使得结构在自重作用下每层斜柱的竖向变形与同层直柱竖向变形差异明显不同，进而影响构件的受力状态。若采用逐层施工、逐层加载的施工方法，即施工一层卸载一层，再施工第二层的方式，每一层变形完成找平后再施工上层，每层斜柱与同层直柱的位移差都不累加到上层，即每层的累计位移差都仅包含本层的位移差。这种施工方式对结构受力最有力，每层构件内力最小，但施工工期太长，实际施工很难实现。若采用一次性加载的方式，所有楼层施工完成后再开始卸载，每层斜柱与同层直柱的位移差就会层层累计，每层累计位移差都包含了其下各层的位移差，构件内力尤其顶层梁构件内力加大很多，不利于结构设计。因此，此结构体系的设计需要与施工方案密切结合，通过设计计算确定不同施工方案下结构体系的受力状态，并本着结构设计、施工方案均经济合理的原则完成结构设计。

2抗侧刚度

斜柱的抗侧刚度较普通直柱大的多，且随斜率变化而不断变化,使得结构每层柱的刚度均无规律变化,结构设计需要不断调整各层其余构件刚度以实现结构刚度合理性。

3竖向刚度

增大斜柱刚度可以减小在竖向荷载作用下的斜柱与同层直柱或剪力墙变形位移差，需提出合理位移限值，实现各结构构件截面的合理性。

4楼层水平构件设计

竖向荷载作用下，斜柱轴力的水平分量必然通过水平楼盖体系来平衡，使得楼盖结构产生水平力，楼盖结构不再是通常意义上的受弯构件，而是拉弯或压弯构件。不同斜率的斜柱会给楼盖产生不同程度的水平力，柱斜度越大，水平分量就越大。斜柱向内倾斜，对上层楼盖产生的是压力，对下层楼盖产生拉力；反之，斜柱向外倾斜，对上层楼盖产生拉力，对下层楼盖则产生压力；对于不断变向斜柱，楼盖的拉压力就得取决于上下层斜柱产生的水平力合力。因此不同楼层不同位置处楼盖结构水平力的大小及分布规律均不同，需要分别采用合理的措施解决。

本发明提出一种基于连续变向钢筋混凝土柱结构体系的设计方法，保证体系的水平刚度、竖向刚度等整体指标满足要求，合理解决楼盖结构构件的水平力问题，使施工方案的不同引起结构内力的变化融合到结构设计过程中，从而实现结构设计及施工方案均经济合理的目标。

(2)技术方案

针对上述问题，本发明采取如下设计方法：

1建立结构设计模型，完成计算。

2调整模型，保证结构水平刚度及竖向刚度满足要求。调整各层剪力墙布置、剪力墙开洞位置、剪力墙厚度，调整各层框架梁截面，重新计算，满足结构各层位移角小于1/800，位移比小于1.2；调整斜柱截面，满足恒+活荷载作用下斜柱各层竖向位移不大于层高的1/1000。

3根据混凝土龄期、施工工艺等因素，在施工工期合理的前提下，确定施工方案及卸载时间。假定结构总层数为m层，施工到第n层时，第一层混凝土达到允许卸载强度，此时完成第1层卸载，即拆除第1层结构模板。分析此施工方案下各层结构的累计位移差。施工到第n层，完成第1层卸载，即第一层变形完成后施工第n层，此时第2层～第n-1层尚未卸载变形，因此第n层结构斜柱与本层直柱的位移差累计了第2层～第n层的位移差；同理，第n+1层结构斜柱与本层直柱的位移差累计了第3层～第n+1层的位移差，以此类推，第m层结构斜柱与直柱的位移差累计了第m-n+2层～第m层的位移差。

4设计模型中合理模拟施工方案，施工方案的累计位移差的大小与结构的受力状态密切相关。

5构件设计。根据楼盖轴拉力或轴压力大小及分布采用合理设计方法。当楼盖轴力为拉力，且拉应力小于ft时，楼板通过配筋承担所有拉力，相应梁按照拉弯构件进行设计；当楼盖轴力为拉力，且楼盖拉应力超过ft时，楼盖梁采用预应力钢筋混凝土梁，混凝土强度等级不小于c40；当楼盖部分受拉部分受压时，楼盖梁采用钢骨梁，且当轴向拉力大于ft时，还需要采用预应力钢骨混凝土梁。当楼盖轴力为压力且楼板压应力小于0.4fc时，梁按照压弯构件进行设计，楼板不需要进行特别设计；当楼盖轴力为压力且楼板压应力大于等于0.4fc时，梁和板均按照压弯构件进行设计。

6完成结构设计，分析是否需要进行优化，主要根据框架柱及与斜柱相连的框架梁的配筋率判断。若存在以下情况：①柱纵筋总配筋率超过4％的构件数量≥5，②柱纵筋总配筋率超过5％的构件数量≥1，③柱每侧纵筋配筋率大于1.2％的构件数量≥1，④梁纵向受拉钢筋配筋率超过2％的构件数量≥10，⑤梁纵向受拉钢筋配筋率超过2.5％构件数量≥1，则设计较为浪费，需改变施工方案，提前一层进行卸载，即施工到第n-1层，完成第1层卸载。

7重复上述步骤3，4，5，6，根据重新确定的施工方案，完成结构设计。

(3)有益效果

本发明所述的设计方法，解决了连续变向钢筋混凝土柱结构体系的设计必须采用与施工方案结合进行设计的问题，同时考虑了结构设计及施工方案的经济合理性，达到整个工程造价最优的经济效果。

根据体系受力特点，提出的竖向变形位移指标，使体系中各类构件截面合理经济。结合楼盖结构构件受力大小及分布特点，分别采取不同措施解决水平力问题，保证了复杂节点施工的可行性，满足建筑对层高、造型的要求。

附图说明

图1为本发明实施例中连续变向钢筋混凝土柱结构体系1层顶结构平面图；

图2为本发明实施例中⑦轴立面图；

图3为本发明实施例中v型斜柱顶钢骨柱钢骨梁节点区；

图4为本发明实施例中钢骨预应力混凝土梁示意图；

图5为本发明方法流程图。

各附图中：1斜柱；2v型斜柱；3直柱；4预应力钢骨混凝土梁；5预应力混凝土梁；6普通钢筋混凝土梁；7剪力墙；8钢骨；9预应力钢筋；10普通钢筋。

具体实施方式

以某办公楼为例，对本发明的方法实现连续变向钢筋混凝土柱结构体系的设计进行详细说明。

该办公楼地上8层，结构总高度36m。平面柱网采用横向8.4米，进深向7.6～13.2米柱跨形式，中间两榀为直柱或剪力墙，外立面柱为斜柱,斜柱斜率不断变化，1～4层斜柱向外倾斜，5～8层斜柱向内倾斜，1层柱为v型斜柱。如图1、图2所示，其设计方法步骤如下：

1)建立结构设计模型，完成计算。

2)调整模型。斜柱抗侧刚度较大，斜柱所在的结构横向水平刚度大于无斜柱的纵向水平刚度，调整剪力墙布置、开洞大小、厚度及框架梁截面。结构位移角最大值为1/1152，位移比最大值1.17。恒+活荷载作用下斜柱各层位移最大值为层高的1/1250。

3)根据施工工艺及合理施工工期，确定施工到第5层时，拆除完毕第一层结构模板。施工到第5层，完成第1层卸载，即第一层变形完成后施工第5层，此时第2层～第4层尚未卸载变形，因此第5层结构斜柱与本层直柱的位移差累计了第2层～第5层的位移差；同理，第6层结构斜柱与本层直柱的位移差累计了第3层～第6层的位移差，以此类推，第8层结构斜柱与直柱的位移差累计了第5层～第8层的位移差。

4)设计模型中合理模拟施工方案，完成计算。

5)构件设计。在1.2恒+1.4活及1.35恒+0.98活两种荷载工况包络下，根据楼盖轴拉力或轴压力大小及分布分别采用不同设计方法。1层存在v型斜柱，中间跨楼盖受压，边跨楼盖受拉。中间跨梁轴压力最大值为3231kn，压应力大于0.4fc，边跨梁轴拉力最大值3526kn，拉应力大于ft，本层采用预应力钢骨混凝土梁，且中间跨梁板按压弯构件进行设计。v型斜柱采用钢骨柱，避免其与预应力钢骨混凝土梁相交节点区钢筋复杂，保证施工可行性；2层～4层楼盖水平力均为拉力，楼盖梁轴拉力最大值分别为1796kn、1220kn、673kn，拉应力均大于ft，采用预应力钢筋混凝土梁。5层楼盖水平力为拉力，楼盖梁轴拉力最大值272kn，拉应力小于ft，采用普通钢筋混凝土梁，梁按拉弯构件进行设计，楼板通过配筋承担所有拉力。6层～8层楼盖水平力为压力力，楼盖梁轴压力最大值766kn，压应力均小于0.4fc，采用普通钢筋混凝土梁，梁按压弯构件进行设计，楼板不需要进行特别设计。

6)完成结构设计，分析是否需要进行优化。查看配筋可知，所有框架柱纵筋总配筋率均不大于4％；所有框架柱每侧纵筋配筋率均不大于1.2％；6-7层与斜柱相连的框架梁纵向受拉钢筋配筋率大于2％的构件数量为8个，8层与斜柱相连的框架梁纵向受拉钢筋配筋率大于2.5％的构件数量为4根，设计不经济，改变施工方案，提前一层进行卸载，即施工到第4层，完成第1层卸载。

7)重复上述步骤3，4，5，6，根据重新确定的施工方案，完成结构计算及构件设计，查看梁柱配筋设计较为合理，设计完成。