復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)豎向荷載傳遞工程實(shí)例分析

周秋玲 （單縣城市建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，山東 菏澤 274300）

1 引言

由于社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展程度限制了傳統(tǒng)建筑的功能，傳統(tǒng)的建筑形式比較規(guī)整，垂直載荷的傳播途徑也比較簡單，一般是直接向下傳遞。比如，80 年代初建成的深圳國貿(mào)國際集團(tuán)有限公司以及國內(nèi)第一個(gè)獨(dú)立設(shè)計(jì)的上海金沙江賓館等，它們的垂直載荷都是由垂直向下貫穿的構(gòu)件直接傳遞給地基。隨著時(shí)代的發(fā)展，人們對建筑外觀的要求越來越高，功能也越來越多樣化，垂直構(gòu)件之間的斷續(xù)現(xiàn)象帶來了很大的挑戰(zhàn)。第一種是由于建筑形態(tài)的需求，出現(xiàn)了大型懸挑、連體等錯(cuò)綜復(fù)雜的建筑物，比如央視總部、深圳騰訊的濱海大廈等；第二種是在垂直方向上的功能變化，比如上海劇院的底層是劇院，上層是宴會大廳，日本中之島音樂廳的中層是音樂廳，上層是一般的辦公室。這兩種類型的建筑物都會造成垂直構(gòu)件的非連續(xù)性，因此必須設(shè)置過渡結(jié)構(gòu)。

為了探索復(fù)雜結(jié)構(gòu)垂直載荷的傳遞途徑，本文通過大量實(shí)例，詳細(xì)地分析了復(fù)雜結(jié)構(gòu)垂直載荷的傳遞途徑和對應(yīng)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化方式，并對其進(jìn)行了較為全面的整理，希望能對復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)有一定的借鑒作用。

2 豎向荷載傳遞路徑

2.1 傳遞路徑分類

按照垂直載荷的傳播方向，它的傳播途徑可以分成三種，一種是垂直向下的傳播，也是最常用的垂直向下傳遞；第二種是先橫向轉(zhuǎn)移，然后垂直向下轉(zhuǎn)移，需要設(shè)置橫向轉(zhuǎn)移部件;第三種是由上而下，然后是橫向的，最后是垂直向下的，需要通過安裝吊桿和橫向的轉(zhuǎn)換部件來完成。在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的情況下，為了適應(yīng)建筑的特殊形態(tài)或者復(fù)雜的功能分配，往往需要使用2、3種載荷路徑。

2.2 第二類荷載傳遞路徑

在建筑物出現(xiàn)立面收縮、連廊、懸挑時(shí)，由于底層較大的空間和其它復(fù)雜的功能發(fā)生改變，造成了垂直構(gòu)件的非連續(xù)性，必須通過改變結(jié)構(gòu)使垂直荷載在橫向上轉(zhuǎn)移，再在其它縱向上繼續(xù)向下轉(zhuǎn)移。常用的轉(zhuǎn)換構(gòu)造類型有轉(zhuǎn)換梁、轉(zhuǎn)換桁架、轉(zhuǎn)換空腹桁架，變換斜桿和變換纜繩，如圖1 所示。不同類型的橫向變換構(gòu)造有其特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域，應(yīng)結(jié)合工程的功能需求和結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)（跨度、荷載）合理選擇。

圖1 水平轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形式

2.3 第三類荷載傳遞路徑

由于建筑造型美觀、視覺通透性的要求，一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)可以采用豎立懸掛和橫向變換的方式來完成。按照承載路徑的長度，可將其劃分為屋頂懸掛和分段懸掛兩種類型，如圖2所示。

圖2 豎向荷載向上傳遞結(jié)構(gòu)形式

屋頂懸吊的垂直載荷轉(zhuǎn)移主要是由吊桿直接傳遞，然后由垂直的連續(xù)構(gòu)件（典型的芯柱或框架柱子）向下傳遞，高雄市立圖書館和西安國際會展中心等多層小高層建筑進(jìn)行應(yīng)用。分區(qū)懸掛垂直載荷的傳輸模式與屋頂懸掛相似，垂直分段法將垂直載荷由吊桿和橫向轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)移到垂直連續(xù)構(gòu)件，如上海中心大廈、北京保利國際大廈等。

3 第二類荷載傳遞路徑實(shí)例分析

3.1 轉(zhuǎn)換梁

轉(zhuǎn)換梁是一種常用的過渡結(jié)構(gòu)，在跨距較小、兩端有其它垂直支撐的情況下。轉(zhuǎn)換梁形式簡潔、傳遞力直接、經(jīng)濟(jì)性好，典型的如中國銀聯(lián)運(yùn)營中心、仁恒海岸中心等。

中國銀聯(lián)業(yè)務(wù)總部設(shè)在上海市，總樓高150m，地面36 樓，占地90000m2。圖3a、3b 中所展示的主要建筑物的用途是辦公室。為了達(dá)到輕而透明的作用，只在下側(cè)框架設(shè)置4 個(gè)巨型立柱。上部的載荷需要由四個(gè)大圓柱的過渡構(gòu)件進(jìn)行轉(zhuǎn)移。根據(jù)建筑物外形的需要，外觀要整齊，不能有斜截面，所以在過渡段垂直載荷的問題比較嚴(yán)重。經(jīng)過比較，選定了傘式變換梁豎向載荷，可以平衡外框立柱所承受的垂直載荷，從而防止由于交叉變換而導(dǎo)致單個(gè)框架柱受力集中的問題。該結(jié)構(gòu)為變斷面的工字型鋼箱形結(jié)構(gòu)，其最大跨距為9.5m，最短跨6.75m。這種轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的受力形式簡單，傳遞力均勻，而且變換梁板構(gòu)件尺寸小，加工方便。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，把變換梁設(shè)在窄側(cè)方向上，這是因?yàn)樗膫鬟f通道很小。在35 樓，使用橫斷面1200mm×1800mm、直徑10m 的鋼筋混凝土轉(zhuǎn)變梁，用于支撐上構(gòu)架。在這種情況下，轉(zhuǎn)換梁體的兩端均由核心圓柱和外部框架圓柱支撐，其承載能力的途徑如圖4 所示，并由該轉(zhuǎn)換梁將上部的受力轉(zhuǎn)移至兩個(gè)垂直的構(gòu)件。

3.2 轉(zhuǎn)換桁架

在過渡段跨越過長的情況下，過渡梁段的斷面也會增大，從而降低了經(jīng)濟(jì)效益。日本中之島音樂廳、北京中銀大樓、程十發(fā)畫廊等為具有代表性的建筑物。日本中之島音樂廳，坐落在日本大阪，39 樓，200m 高，上層樓的功能是辦公。在大樓的下半部分，跨度為30m，2700 個(gè)大型的音樂廳，如圖5（a）、5（b)。由于垂直結(jié)構(gòu)的改變，使其內(nèi)部不存在垂直的連續(xù)構(gòu)件，因此必須進(jìn)行結(jié)構(gòu)的過渡。在設(shè)計(jì)時(shí)，選用了大型桁架作為垂直荷載的過渡結(jié)構(gòu)，跨30m。大型桁架的腹桿是一種具有四邊形的箱型鋼結(jié)構(gòu)，其截面為箱形，其高度1500～2000mm。上部結(jié)構(gòu)的核心筒載荷由桁架斜腹桿均勻地傳遞給16 個(gè)對稱排列的大型柱子。在轉(zhuǎn)換桁架的上部增加了一道鋼桁架環(huán)形，以增強(qiáng)上部結(jié)構(gòu)的剛性。

圖5 日本中之島音樂廳

3.3 轉(zhuǎn)換空腹桁架

與變換桁架比較，空腹桁架缺乏斜腹桿，承載能力稍差，而空心桁架的透過率較高。既能滿足建筑的空間設(shè)計(jì)，又能充分利用室內(nèi)的空間，從而提高使用的效率。同濟(jì)大學(xué)圖書館、鄭州新聞大樓等地采用了空腹桁架承載垂直荷載。

同濟(jì)大學(xué)圖書館的主體建筑為50m 高，11 層為地面。為了不影響舊圖書館的正常使用，在舊圖書館二樓上層設(shè)置了一個(gè)懸空樓面作為新的主體建筑的閱讀空間。為了達(dá)到這種建筑的作用，以兩層為一結(jié)構(gòu)單元，由四根豎向梁柱和腹板壁支撐，構(gòu)成一懸挑7.65m 的超靜定空心桁架。同時(shí)，為了減少懸挑結(jié)構(gòu)的變形，在橫梁中加設(shè)預(yù)應(yīng)力筋，見圖6（b）。下弦式空心桁架采用混凝土梁，斷面尺寸為400mm×1150mm，腹板采用混凝土剪力墻，斷面尺寸125mm×1500mm。

為了達(dá)到這種結(jié)構(gòu)特征，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中將5 個(gè)雙層高聳式腹式桁架與主梁進(jìn)行鉸接，構(gòu)成雙塔式連廊，其樓板承載力由空腹桁架傳輸至兩座塔樓。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通過鉸鏈連接可以確保結(jié)構(gòu)的相對變形，而不會對連廊造成很大的應(yīng)力。

3.4 轉(zhuǎn)換斜撐

轉(zhuǎn)換斜拉桿是一種常用的懸挑結(jié)構(gòu)，而斜拉桿一般是采用兩端鉸接的軸向受力構(gòu)件，其受力比懸挑梁要合理的多。鄭州綠地廣場是典型的轉(zhuǎn)角斜撐。

鄭州綠地中心商場，地面高285m，60 層，是大型商業(yè)綜合體。該建筑物呈“風(fēng)輪”形狀，在四角構(gòu)成10.4m 的懸挑區(qū)，沿著垂直方向劃分5 個(gè)分區(qū)，在各分區(qū)的下層設(shè)有兩層橫梁，橫拉橫梁的橫梁為H600×600×50×70，并將懸挑區(qū)的垂直載荷轉(zhuǎn)移至主要構(gòu)架立柱，其傳力路線如圖7所示。

圖7 鄭州綠地中央廣場

3.5 轉(zhuǎn)換拉索

轉(zhuǎn)換纜繩是中國銀聯(lián)營運(yùn)中心的一種新型的輔助轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。正如3.1 節(jié)所講，中國銀聯(lián)業(yè)務(wù)中心（7 樓）的結(jié)構(gòu)下部為傘式轉(zhuǎn)換梁，為了減小外部框架柱的軸力，在結(jié)構(gòu)的上層區(qū)域，利用轉(zhuǎn)移纜繩來轉(zhuǎn)移外部框架柱所承擔(dān)的垂直載荷。在17F和28F的庇護(hù)層拐角（如圖8所示）中，總共設(shè)置了8 個(gè)纜繩，每個(gè)纜繩具有120mm 的直徑，每個(gè)纜繩具有2000kN 的預(yù)應(yīng)力。從圖8 中可以看出，在17F、28F 層避險(xiǎn)層布置拉索，將外部框架的一些負(fù)荷分階段傳給中心筒體，減少了外部框架所承受的垂直載荷，使外部框架的軸力下降15%，并減少了下部（7層）的過渡梁的邊緣厚度。

圖8 中國銀聯(lián)運(yùn)營中心豎向傳力體系

4 第三類荷載傳遞路徑實(shí)例與分析

屋面懸挑是將垂直荷載通過吊桿等承重部件傳至屋面，然后再從垂直方向上轉(zhuǎn)移。高雄城市圖書館及西安國際會展中心是其標(biāo)志性的建筑物。為了提高大樓的通風(fēng)效果，圖書館的外墻沒有使用柱子，而使用了3-7 樓的高張力條來懸掛，如圖9所示。

圖9 高雄市立圖書館

圖書館的建筑體系主要包括4 個(gè)垂直的核心圓柱、樓面梁、屋頂桁架、拉桿等。通過地面梁將地面的載荷轉(zhuǎn)移至垂直核心和高張力鋼的拉柱。轉(zhuǎn)移桁架通過垂直的支撐將其向上轉(zhuǎn)移到頂部，然后通過過渡桁條傳輸?shù)酱怪钡男局钡降鼗?，如圖9 所示。鋼制拉桿的尺寸一般為60～120mm，而常規(guī)的結(jié)構(gòu)柱則可將其橫斷面長度提高900mm。由于其高的承載量，可以有效地減少截面的大小，增加建筑的使用區(qū)域，增加建筑物的通過率。

利用受力部件將垂直載荷向下轉(zhuǎn)移是一種較好的載荷轉(zhuǎn)移方式。在房屋的高度受到限制的情況下，可以通過拉桿或纜繩把外墻和局部的承重直接傳給屋頂，然后通過屋頂傳給其它的垂直結(jié)構(gòu)。在同樣荷載作用下，桿件或纜繩的斷面一般比承載件（例如框柱梁）的截面要小，其結(jié)構(gòu)形式是由上部向下，然后橫向向下。它能顯著地減少外墻垂直部件的大小，改善外墻的通風(fēng)。若大樓是高層或超高層，則將幕墻等周邊垂直負(fù)荷直接掛到房頂，則會造成吊索負(fù)荷過度，故可與裝置層配合使用分段懸掛；多層垂直荷載由懸臂梁傳至核心筒、巨柱等垂直結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)論

在沒有與其直接相應(yīng)的下支撐部件時(shí)，可以采用橫向轉(zhuǎn)移的方式將垂直載荷轉(zhuǎn)移給鄰近的垂直構(gòu)件。橫向轉(zhuǎn)換的構(gòu)造類型多種多樣，包括轉(zhuǎn)換桁架、轉(zhuǎn)換斜撐、轉(zhuǎn)換梁等。在結(jié)構(gòu)上，根據(jù)建筑特點(diǎn)、豎向荷載大小、跨度等特點(diǎn)，選擇適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換方式。

在外立面具有高滲透率的情況下，可以采用幕墻荷載、外側(cè)樓面荷載等垂直荷載，采用先上、后橫向、后下行的方法。采用小截面的拉桿，減少了外部垂直部件的體積。按承重線路長度的不同，可將其劃分成頂棚和分段式兩種類型，可按建筑高差選用適當(dāng)?shù)淖儞Q方式。

在復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中，受力方式的選取非常關(guān)鍵，合理的受力系統(tǒng)可以簡化設(shè)計(jì)，減少傳遞距離，提高建筑的美觀度，減少項(xiàng)目成本。