建筑工程中帶斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

范松偉

（廣東呈斯意特建筑設(shè)計(jì)有限公司，廣東 惠州 516000）

建筑工程中帶斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

范松偉

（廣東呈斯意特建筑設(shè)計(jì)有限公司，廣東 惠州 516000）

建筑功能的充分發(fā)揮，離不開建筑結(jié)構(gòu)的完美設(shè)計(jì)，而建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)在很大程度上決定了建筑工程項(xiàng)目建設(shè)的成功與否。斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在建筑工程中的應(yīng)用，是建筑業(yè)發(fā)展的必然趨勢。從斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)及其優(yōu)點(diǎn)、斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀，以及斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在實(shí)際建筑工程中的應(yīng)用3個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)的敘述，為建筑工程中帶斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的科學(xué)設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

建筑工程；斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)；優(yōu)點(diǎn)

0 引言

現(xiàn)代建筑正在朝著功能多樣、形式復(fù)雜的方向發(fā)展。建筑功能的充分發(fā)揮，離不開建筑結(jié)構(gòu)的完美設(shè)計(jì)，而建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)在很大程度上決定了建筑工程項(xiàng)目建設(shè)的成功與否。斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)作為當(dāng)前建筑工程，尤其是高層建筑工程的重要結(jié)構(gòu)形式，不僅受到了建筑行業(yè)的廣泛應(yīng)用，而且其實(shí)際應(yīng)用效果得到了社會的高度認(rèn)可。因此，加強(qiáng)對斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的研究有重要意義。

1 斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)及其優(yōu)點(diǎn)

1.1 斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

斜柱轉(zhuǎn)換是建筑工程領(lǐng)域新興起的一種轉(zhuǎn)換形式，不僅具備良好的經(jīng)濟(jì)性能，而且受力模式完整，建筑用途廣泛，在國內(nèi)很多工程中得到了廣泛的應(yīng)用。斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在很大程度上可以說是梁式轉(zhuǎn)換與桁架轉(zhuǎn)換的有機(jī)結(jié)合，所以又叫做具備桁架轉(zhuǎn)換。斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)主要適用于墻肢長度相對較短或者上層柱網(wǎng)相對較密的情況[1]。在建筑中，如果短肢剪力墻與框支柱的距離相對較近，跨中恰好沒有柱子支撐在轉(zhuǎn)換梁上，此時(shí)斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢就可以充分的體現(xiàn)出來了。

1.2 斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

傳統(tǒng)的梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)需要承擔(dān)非常大的彎矩與剪力墻，其斷面與配筋的使用量大，施工不便，在一定程度上影響了建筑工程的發(fā)展，而斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)能夠有效避免傳統(tǒng)梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，優(yōu)越性較突出。不論是從經(jīng)濟(jì)效益與建筑用途方面考慮，還是從受力模式方面考慮，斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)都屬于一種較好的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換形式。

1.2.1 靈活布置，直接傳力

斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒔ㄖ纳喜枯d荷有效傳遞給下部構(gòu)件，不需要梁在中間起傳接作用，能夠有效減輕梁的負(fù)擔(dān)，減小梁的剪壓比。通常情況下，轉(zhuǎn)換梁的斷面受剪壓比影響，使用斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)能夠減少梁斷面的尺寸，降低轉(zhuǎn)換梁高度，進(jìn)而降低結(jié)構(gòu)自重，將轉(zhuǎn)層層高的優(yōu)勢充分利用起來。

1.2.2 增加轉(zhuǎn)換層抗側(cè)剛度

斜柱不僅能夠承擔(dān)豎向重力的載荷，而且是抗側(cè)力構(gòu)件，同時(shí)能夠在減小轉(zhuǎn)換梁剛度的同時(shí)增加轉(zhuǎn)換層的抗側(cè)剛度，具有非常好的抗震效果。梁系與框支柱，以及斜柱構(gòu)成的單元結(jié)構(gòu)具備非常穩(wěn)定的幾何形狀。使用鋼筋混凝土桁架的斜腹桿用于抵抗由于水平剪力引起的主壓應(yīng)力與主拉應(yīng)力，與剪力墻的抗剪效果是一致的。因此，斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)更容易滿足剛度比的要求。

1.2.3 保護(hù)梁柱節(jié)點(diǎn)

原來的轉(zhuǎn)換梁在大震的作用下從梁柱節(jié)點(diǎn)梁端先出鉸，而斜柱的存在使得轉(zhuǎn)換梁在大震作用下從斜柱與梁的交點(diǎn)先出鉸。斜柱的存在使得梁柱節(jié)點(diǎn)得到了有效的保護(hù)，對結(jié)構(gòu)抗震的意義非常大[2]。

1.2.4 增加建筑功能

斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)能夠在很大程度上滿足建筑要求，實(shí)現(xiàn)采光與管道鋪設(shè)的順利進(jìn)行。在建筑高度不變的情況下，與傳統(tǒng)的梁式轉(zhuǎn)化相比較，斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)更能夠節(jié)約空間，促使建筑使用效率的提高。

2 斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀

2.1 豎向載荷傳遞途徑

剪力墻的豎向載荷傳遞途徑主要有以下三種。第一種，剪力墻的豎向載荷先傳遞到方柱的上方轉(zhuǎn)換梁，然后在由轉(zhuǎn)換梁傳遞到方柱上；第二種，剪力墻的豎向載荷依然是先傳遞到方柱的上方轉(zhuǎn)換梁，然后在由梁受剪的拱作用傳遞到方柱上；第三種，剪力墻的豎向載荷先由轉(zhuǎn)換梁傳遞到斜柱上，然后再通過斜柱傳遞到方柱上。第一種與第二種載荷傳遞途徑傳遞的載荷能夠達(dá)到總載荷的60%。提高混凝土的強(qiáng)度不僅能夠使得節(jié)點(diǎn)受力性能得到改善，而且避免了較高載荷下剪力墻的非線性突變，同時(shí)還能夠在混凝土強(qiáng)度提高時(shí)，促進(jìn)梁內(nèi)拉應(yīng)力的減少。

2.2 實(shí)腹斜柱結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢

與空腹斜柱相比較，實(shí)腹斜柱的剪力墻應(yīng)變不論是加載初期，還是試件破壞應(yīng)力，都較均勻；空腹斜柱轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)的受力狀態(tài)與軸心受壓相近，與桁架結(jié)構(gòu)中的斜桿基本相同；實(shí)腹斜柱的受力模式與梁式轉(zhuǎn)換的更接近。

2.3 裂縫形式

剪力墻的底部壓應(yīng)力在彈性狀態(tài)下是呈均勻分布的，其隨著轉(zhuǎn)換梁剛度的增加而越發(fā)分布均勻，同時(shí)轉(zhuǎn)換梁的所受軸力與彎矩也隨之加大，此時(shí)剪力墻開裂的荷載增大，多出現(xiàn)豎向裂縫[3]。剪力墻的開裂荷載隨著轉(zhuǎn)換梁抗彎剛度的減小而增加，裂縫多呈現(xiàn)出的是斜向形式。

2.4 轉(zhuǎn)換梁的偏心受拉特征

剪力墻間的轉(zhuǎn)換梁是工程建筑的關(guān)鍵部分，偏心受拉特征明顯。斜柱和轉(zhuǎn)換梁的相交點(diǎn)受到了非常大的彎矩和剪力。事實(shí)上，轉(zhuǎn)換梁也是偏心受拉構(gòu)件的一種，在與剪力墻、斜柱的共同作用下，具備很強(qiáng)的剛度。在豎向載荷的作用下，斜柱與軸心的受壓構(gòu)件類似。如果是豎向載荷與水平載荷同時(shí)作用，受力相對復(fù)雜，斜柱中部主要是小偏心受壓或受拉，斜柱兩端同時(shí)受到軸力與剪力作用，尤其是位于斜柱底部的彎矩與剪力作用。所以，工作人員必須要將斜柱的底部作為控制截面進(jìn)行全方位設(shè)計(jì)。

2.5 其他方面

斜柱水平方向的分力作用隨著斜柱與方柱之間夾角的增大而增大，所以轉(zhuǎn)換梁的開裂相對較早。當(dāng)然，斜柱和方柱之間的夾角越大，剪力墻的應(yīng)力分布就越不均勻，同樣短肢剪力墻承載力就越不能夠得到充分的發(fā)揮。斜柱和轉(zhuǎn)換梁之間的連接與鉸接類似，斜柱與二力桿的受力情況類似，通常都是表現(xiàn)為軸壓。水平載荷的作用下，轉(zhuǎn)換梁會受到斜柱的推力，因而在轉(zhuǎn)換梁和斜柱的相交點(diǎn)會出現(xiàn)轉(zhuǎn)交變形或者出現(xiàn)呈現(xiàn)出拱狀[4]。工作人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)工作時(shí)，要將斜柱的向上推力考慮到，特別是向上推力產(chǎn)生的負(fù)彎矩。在低周反復(fù)載荷的作用下，斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的滯回曲線較飽滿，具備良好的延性，抗震性能突出。

3 斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在實(shí)際建筑工程中的應(yīng)用

斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)是當(dāng)前建筑領(lǐng)域新興的一種轉(zhuǎn)換形式，雖然在我國的現(xiàn)行規(guī)范中還沒有具體條文，但是在實(shí)際工程中應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛。在深圳某大廈的施工中，要求在22層與23層之間柱網(wǎng)收進(jìn)，于是建筑師在大廈的22層與23層之間進(jìn)行了轉(zhuǎn)換層的設(shè)置；沈陽某廣場，在完成上部兩排柱與下部的一排柱的斜柱轉(zhuǎn)換過程中，采用了三角形斜柱結(jié)構(gòu)，不僅實(shí)現(xiàn)了建筑功能，節(jié)省了空間，而且增加了使用面積，降低了工程成本；重慶某商城采用了V型斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，這個(gè)建筑的地下一層為車庫、地下二層為設(shè)備間、地上1層到10層商場、第11層到26層是住宅、第27層與28層是設(shè)備層，建筑師為整個(gè)建筑設(shè)計(jì)了框架—筒體結(jié)構(gòu)，通過利用地上第9層與第10層形成一個(gè)V型柱，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了高位轉(zhuǎn)化，在節(jié)約空間、降低成本的同時(shí)，給建筑造成也增加了新的色彩；位于重慶的瀘州老窖地產(chǎn)有限公司開發(fā)的國窖明城，地下一層為地下室，地上一層至地上3層為超市與商場、地上3層以上是商品房?；诖?，設(shè)計(jì)師在地上3層與4層之間進(jìn)行了轉(zhuǎn)換層的設(shè)置，采用的是斜柱與加腋的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形式[5]。

以上敘述的應(yīng)用了斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的建筑，都是按照桁架模型設(shè)計(jì)的，而且是斜柱直接支撐小方柱的形式。隨著對建筑要求的不斷提高，斜柱上面不再僅僅局限于方柱，多數(shù)采用了短肢剪力墻。就目前的建筑發(fā)展?fàn)顩r來看，上部設(shè)置為短肢剪力墻的柱網(wǎng)建筑工程已經(jīng)非常常見。依據(jù)斜柱、剪力墻，以及框支柱的關(guān)系，斜柱形式主要分為三種：

1）斜柱為上部的剪力墻分為兩段支撐，一段支撐框支柱，另一端支撐斜柱。

2）斜柱為上部的剪力墻僅僅支撐一根斜柱，所謂半桁架模。

3）斜柱為上部的剪力墻支撐相交斜柱，其中交點(diǎn)位于剪力墻下端，即完整桁架模型。

4 結(jié)語

綜上所述，斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在建筑工程中的應(yīng)用呈現(xiàn)出很多其他結(jié)構(gòu)形式不可比擬的優(yōu)勢，具備非常廣闊的發(fā)展前景，是一種值得廣泛推廣與應(yīng)用的新型建筑結(jié)構(gòu)。因此，相關(guān)工作人員需要對斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中的應(yīng)用加強(qiáng)進(jìn)一步的研究與分析，發(fā)揮結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，總結(jié)實(shí)際應(yīng)用中的缺陷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)協(xié)助轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)應(yīng)用的優(yōu)化，在降低工程建設(shè)成本、節(jié)約施工資源、降低工程造價(jià)的同時(shí)，提供工程建設(shè)效率，促進(jìn)工程建設(shè)的順利施工。

[1]盧挺.框支短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中斜柱式與梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的抗震試驗(yàn)研究[D].重慶大學(xué)，2006.

[2]何沛.高層建筑厚板轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用[D].西安建筑科技大學(xué)，2007.

[3]王章浩.低周反復(fù)荷載作用下框支—短肢剪力墻中斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究[D].重慶大學(xué)，2005.

[4]祁勇，朱慈勉，鐘樹生等.框支短肢剪力墻斜柱式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)抗震性能試驗(yàn)研究[J].結(jié)構(gòu)工程師，2013，29（2）：70-74.

[5]祁勇，鐘樹生.框支短肢剪力墻轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)抗震性能試驗(yàn)研究[J].四川建筑科學(xué)研究，2013，39（4）：223-226.

TU973+.3

A

1673-1093（2015）06-0079-03

范松偉（1980），男，廣東惠州人，中級工程師，研究方向：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

10.3969/j.issn.1673-1093.2015.06.020

2015-02-27；

2015-03-05