建筑工程中帶斜柱轉換結構設計分析

文/欒明輝 山東鋼鐵集團房地產有限公司 山東青島 266071

隨著現代社會經濟的發展，各類造型復雜高層建筑不斷涌現，立面沿高度收進或突出的高層建筑是其中較為常見的一類。此類高層建筑結構當豎向收進較少時通常采用斜柱或搭接柱方案來實現建筑立面的要求。由于此類結構的豎向構件有突變，斜柱層及相鄰上下層受力復雜，在地震作用下可能形成結構的軟弱部位或薄弱層，因此結構設計也有其自身的特點。

1、斜柱轉換結構及其優點

1.1 斜柱轉換結構

斜柱轉換是建筑工程領域新興起的一種轉換形式，不僅具備良好的經濟性能，而且受力模式完整，建筑用途廣泛，在國內很多工程中得到了廣泛的應用。斜柱轉換結構在很大程度上可以說是梁式轉換與桁架轉換的有機結合，所以又叫做具備桁架轉換。斜柱轉換結構主要適用于墻肢長度相對較短或者上層柱網相對較密的情況。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換梁上，此時斜柱轉換結構的優勢就可以充分的體現出來了。

1.2 斜柱式轉換結構的優點

①能更好的控制轉換梁的截面尺寸，合理的設置轉換層層高，更加靈活的運用轉換層的內部空間；②結構的傳力途徑明確，梁、柱的受力更加合理，有助于提高結構的抗震性能；③存在的斜柱也是重要的抗側力構件，避免了轉換層上下的側向剛度突變；④斜柱式轉換結構的節點桿件較少，施工簡單。

2、斜柱轉換結構的研究現狀

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換梁，然后在由轉換梁傳遞到方柱上；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到總載荷的60%。提高混凝土的強度不僅能夠使得節點受力性能得到改善，而且避免了較高載荷下剪力墻的非線性突變，同時還能夠在混凝土強度提高時，促進梁內拉應力的減少。

2.2 實腹斜柱的機構優點

實腹斜柱結構和空腹斜柱結構相比，剪力墻體承受的負荷、應力都比較勻稱，更接近傳統梁式結構的受力轉換模式。而空腹斜柱結構其受力轉換點處的受力情況類似于軸心負荷模式，類似于桁架的斜桿負荷模式。

2.3 裂縫分析

由于剪力墻底部彈性影響，墻體底部承受的壓力通常分布均勻，而且轉換梁的剛性強度越大，壓力分布越發勻稱，轉換梁承受相應軸力以及彎矩亦隨之增大，因此當引起剪力墻表面裂開的力量越大，便越可能豎向出現裂痕。若誘發剪力墻表面開裂的力量與剛度成反比時，往往斜向出現裂縫。

2.4 轉換梁具備的偏心受拉特點

轉換梁（剪力墻體之間）是此類建筑中最關鍵的結構之一，具備十分顯著的偏心受拉特點，在其與斜柱角點處彎矩及剪力較大。實際上，轉換梁處對偏心方向拉力具有較強適應性，在加上剪力墻和斜柱共同作用下，剛度性能頗大。當承受向下力量時，斜柱和軸心承壓結構相近。倘若結構同時受到向下和水平兩個方向應力時，受力情況變得更加復雜，斜柱的中間部構通常只受到較小的偏心壓力或拉力，兩側則既承受軸向荷載，也承受剪力作用，尤其是底部彎矩和剪力作用。故此，設計者務必以斜柱底端為其控制核心全面綜合考慮完成設計。

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，所以轉換梁的開裂相對較早。當然，斜柱和方柱之間的夾角越大，剪力墻的應力分布就越不均勻，同樣短肢剪力墻承載力就越不能夠得到充分的發揮。斜柱和轉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，通常都是表現為軸壓。水平載荷的作用下，轉換梁會受到斜柱的推力，因而在轉換梁和斜柱的相交點會出現轉交變形或者出現呈現出拱狀。工作人員在進行設計工作時，要將斜柱的向上推力考慮到，特別是向上推力產生的負彎矩。在低周反復載荷的作用下，斜柱轉換結構的滯回曲線較飽滿，具備良好的延性，抗震性能突出。

3、主要加強措施

3.1 分別采用兩種不同的空間結構分析程序，考慮樓板實際剛度和藕聯振動影響，計算結構動力響應，分析斜柱層及相鄰上下層樓板應力水平和分布，對兩種程序的計算結果加以判斷，關鍵構件設計取包絡內力；補充采用兩種程序的彈性時程分析，與反應譜分析結果進行對比，指導結構設計。

3.2 通過調整核心筒剪力墻開洞位置及尺寸，減小平面質心與剛心偏離幅度，且適當增大外框梁截面尺寸，從概念設計角度減小平面扭轉效應。本工程最大扭轉位移比為1.43，出現在首層。這是由于建筑平面布置的要求，下面3層為平面不規則的大底盤裙樓所致。裙樓以上的塔樓部分通過合理的結構布置，兩個方向的最大扭轉位移比分別僅為1.27和1.29，扭轉效應得到了較好的控制。

3.3 確保重要受力構件強剪弱彎：構件斜截面承載能力安全度≥1.2倍正截面極限承載力安全度，以保證構件的延性變形能力，達到“中震可修、大震不倒”的抗震設防目標。

3.4 重點分析與斜柱相連的框架梁內力，設計時通過提高配筋率和增加抗扭筋的設置，提高此類框架梁的抗剪、抗扭能力，增加延性；為保證其有足夠的承載力儲備以策安全，加強斜柱層及其相鄰上下層樓板的厚度及配筋，以有效傳遞斜柱產生的水平分力，與框架梁協同工作。

結語：

綜上所述，斜柱轉換結構在建筑工程中的應用呈現出很多其他結構形式不可比擬的優勢，具備非常廣闊的發展前景，是一種值得廣泛推廣與應用的新型建筑結構。因此，相關工作人員需要對斜柱轉換結構在實際工程中的應用加強進一步的研究與分析，發揮結構優勢，總結實際應用中的缺陷，進而實現協助轉換結構應用的優化，在降低工程建設成本、節約施工資源、降低工程造價的同時，提供工程建設效率，促進工程建設的順利施工。