復雜建筑結(jié)構(gòu)豎向荷載傳遞工程實例分析

周秋玲 （單縣城市建設投資集團有限公司，山東 菏澤 274300）

1 引言

由于社會和經(jīng)濟的發(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)國際集團有限公司以及國內(nèi)第一個獨立設計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、連體等錯綜復雜的建筑物，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，因此必須設置過渡結(jié)構(gòu)。

為了探索復雜結(jié)構(gòu)垂直載荷的傳遞途徑，本文通過大量實例，詳細地分析了復雜結(jié)構(gòu)垂直載荷的傳遞途徑和對應的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化方式，并對其進行了較為全面的整理，希望能對復雜結(jié)構(gòu)進行工程設計有一定的借鑒作用。

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)復雜的情況下，為了適應建筑的特殊形態(tài)或者復雜的功能分配，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，由于底層較大的空間和其它復雜的功能發(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)造有其特點和應用領(lǐng)域，應結(jié)合工程的功能需求和結(jié)構(gòu)的受力特點（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行應用。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)濟性好，典型的如中國銀聯(lián)運營中心、仁恒海岸中心等。

中國銀聯(lián)業(yè)務總部設在上海市，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。為了達到輕而透明的作用，只在下側(cè)框架設置4 個巨型立柱。上部的載荷需要由四個大圓柱的過渡構(gòu)件進行轉(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致單個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)設計中，把變換梁設在窄側(cè)方向上，這是因為它的傳遞通道很小。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，因此必須進行結(jié)構(gòu)的過渡。在設計時，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計，又能充分利用室內(nèi)的空間，從而提高使用的效率。同濟大學圖書館、鄭州新聞大樓等地采用了空腹桁架承載垂直荷載。

同濟大學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置了一個懸空樓面作為新的主體建筑的閱讀空間。為了達到這種建筑的作用，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，為了減少懸挑結(jié)構(gòu)的變形，在橫梁中加設預應力筋，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。

為了達到這種結(jié)構(gòu)特征，結(jié)構(gòu)設計中將5 個雙層高聳式腹式桁架與主梁進行鉸接，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)設計中，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 個分區(qū)，在各分區(qū)的下層設有兩層橫梁，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的垂直載荷。在17F和28F的庇護層拐角（如圖8所示）中，總共設置了8 個纜繩，每個纜繩具有120mm 的直徑，每個纜繩具有2000kN 的預應力。從圖8 中可以看出，在17F、28F 層避險層布置拉索，將外部框架的一些負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)運營中心豎向傳力體系

4 第三類荷載傳遞路徑實例與分析

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志性的建筑物。為了提高大樓的通風效果，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。若大樓是高層或超高層，則將幕墻等周邊垂直負荷直接掛到房頂，則會造成吊索負荷過度，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的下支撐部件時，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、豎向荷載大小、跨度等特點，選擇適當?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?shù)淖儞Q方式。

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