建筑結構層間搭接柱轉換結構設計

鄒安宇

摘 要：建筑行業飛速發展，多種技術在實踐中得到提升。在項目工程的施工過程中，因為使用層間搭接轉換結構所帶來的優越性是其他的結構不能比擬的，所以搭接柱轉換結構應運而生。在建筑工程施工過程，搭接柱擁有很多的優點，例如，動力清晰、直接傳力。這充分說明了搭接柱轉換結構已經成為了一種成熟的技術，它能夠合理經濟地解決上下柱的不對中問題，以此來達到建筑工程的立面上輪廓內收的目的。本文主要討論了搭接轉換在項目工程中的應用，并闡述了搭接結構，搭接以及相關樓板結構的整體分析。

關鍵詞：層間搭接柱 轉換結構 應力分布

中圖分類號：S611 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）03（c）-0153-02

搭接柱轉換結構是一種新的結構轉換形式，與以前的梁轉換結構和厚板轉換結構以及箱形又或者桁架轉換結構相比較，經濟又實用。搭接柱的轉換結構可廣泛用于框架-圓柱結構和框架結構轉換，建筑物立面需要凹入凸起結構。

1 搭接柱轉換結構簡述

當建筑物外圍框架的柱框架網絡交錯時，倘使采用梁式轉換的結構，轉換梁需要接受比較大的剪切力與彎矩，這將導致轉換梁的橫截面變的會較大。另外，在建筑施工時大量使用鋼筋，會使得結構變得復雜以及使得轉換層的空間較小。當轉換層改變得比較高的時候，抗震的性能將會變得特別差。搭接柱的自重小，成本低，所以我們可以最大化的使用轉換層的結構空間。

經過大量的事實證明，垂直柱的荷載能夠經過搭接柱的剪切變形功能把上柱里的軸向的壓力傳到下柱中去，而且因為搭接柱上下柱自身的偏心率所造成的彎矩經過由上下兩個地板的覆蓋梁以及搭接接頭旁邊的木板具有的壓力與拉力造成的反向耦合來平衡。搭接接頭的轉換結構大致確定了框架柱，避開了剛性大與轉換梁的轉換層?？蚣苤臋M截面尺寸和剛度在垂直方向上基本保持均勻，從而避免了結構橫向剛度的垂直變化、抗震的不利影響。在發生地震的情況之下，框架柱的受力情況依然保持在正常狀態，地震所造成的影響比較小，雖然搭接接頭受到地震的作用力，但是只要框架柱依然擁有優秀的延展性以及強大的承載能力，整個結構的抗震能力依舊特別完美。

2 關于搭接柱轉換結構的設計必須思考的因素

2.1 搭接塊的內力

在搭接柱受到豎向荷載作用下，搭接應力的基本特征是：上柱的軸力、梁端的剪切力和搭接接頭的自重與下柱的軸向力之間的平衡；上下柱的偏心距、搭接接頭的偏心距和梁端剪切力和端部剪切力產生的力矩與梁端彎矩和柱端彎矩平衡；搭接接頭和梁和柱一起形成節點剛性區域，它通常具有大的橫截面尺寸[1]。

2.2 搭接塊的平面應力狀態

在結構的最大應力狀態下，施加到殼單元頂部的線載荷是規范給出的限制。搭接接頭及其上下柱的應力狀態和梁端的集中力。隨著搭接接頭的高度增加，搭接接頭底板上的橫梁的X方向反作用力顯著減小，即搭接接頭增加。高度可以減小傳遞到框架梁支撐件的X方向反作用力，但是當搭接塊的高度H達到限定高度時，搭接塊的高度增加，并且X方向反作用力的影響增大。這表明，在一定高度內增加搭接塊的高度可以有效地改善搭接塊的力傳遞效果。在搭接塊的高度超過極限之后，改善效果減弱，并且由于搭接塊的高度的增加，上柱可能變成短柱。隨著搭接接頭的高度增加，搭接接頭所在的地板上的橫梁的Y方向反作用力首先緩慢增加，當高度H達到限定高度時趨于穩定。因此，當考慮搭接接頭在高度H達到限定高度后，沒有額外的意義[2]。

2.3 轉換結構的構造方法

首先，由于搭接柱上柱和下柱受到偏心擠壓，柱壓應力較大，為了防止搭接柱的上下柱發生脆性斷裂，應適當增加搭接接頭的剛性。同時，為了避免上柱形成短柱并防止搭接塊的高度過大，為了提高柱的延展性，箍筋需是完全高度加密的，并且縱向鋼筋的配筋率和箍筋的體積箍圈比適當增加。由于柱的縮回，整個搭接接頭具有順時針旋轉的趨勢，樓板和樓板共同約束搭接接頭的旋轉，使板坯的壓縮應力較大，樓板應局部加厚，需要進行雙層雙向加固等施工措施[3]。

2.4 搭接的仿真方法

在整體計算中，考慮上柱和下柱之間的搭接接頭的內力傳遞，并且在參數選擇中考慮梁端和柱端的剛性端。該方法可以模擬搭接接頭與整體結構的剛性和重疊、梁/柱剛度和加固的影響。

3 搭接柱設計具體探討

3.1 連接壓力梁的設計

上梁是偏心受壓的一種構件，軸向壓力主要和搭接塊上柱的尺寸以及轉換層高度的比值有關聯，彎矩決定轉角的旋轉角度，實際上上梁充當了整個轉換結構中的壓力桿。假使在轉換層的下梁之中加入預應力以此來控制搭接塊的旋轉以及橫向位移，那么上梁端承受的彎曲力矩的影響將會變得更小，而且壓桿的作用也變得特別大。另外為了充分的發揮它的水平支撐的效果而不引起大的彎曲變形，還應充分保證它的剛度。

與拉桿梁相似，拉桿梁中有很大一部分的壓力由地板承擔，梁中剩余的其他壓力被核心筒壁來承受。梁與板是共同澆注共同工作的，當拉桿梁承受正彎矩的時候，翼緣將會承受縱向壓應力，以此來平衡肋內縱肋的拉力。另外，無論鋼筋參與力如何，設計時梁的實際承載力也可能比柱的實際承載力大，所以可能會形成“強梁弱柱”的情況。因此，在實際設計中應考慮梁的有效翼緣的作用。

3.2 設計轉換層的下層柱

對于搭接柱的局部分析，因為加入了垂直載荷，所以不思考水平載荷的影響，并且因為下梁與上梁的水平支撐力，搭接柱的實際剪切力不大。在現實的高層結構設計之中，水平荷載不能忽視。在水平載荷下，將會產生橫向位移，并且柱中的剪切力將會變得非常大。所以，箍筋配置一定需要全部滿足剪切的要求，而且應該全部加密。另外，軸向壓力的產生將在很大程度上加強柱的抗剪強度，但是為了避免延性差以及小的偏心壓縮損傷，設計軸壓的比不應該太大。建議普通框架柱的軸壓比限制比它的軸壓比增加0.1.即第一次抗震時柱的軸壓比限制為0.6，第二次抗震性能為0.7，第三次地震時為0.8。當難以滿足上下剪切剛度比與軸壓比時，混凝土或鋼填充鋼管柱可用來增強柱的變形剛度比以及力學性能和軸壓比。在結構的設計之中，還必須遵守“強柱弱梁”的原則，即柱一定要設計得比其附著的梁更堅固。

3.3 其他相關的設計原則

搭接柱的轉換層結構設計還必須遵守下列原則：依據“增強轉換層和其下部，減少轉換層上部”的規定，下部與上部的變形特性與剛度。轉換層下部的最重要結構應該盡可能接近轉換層的上框架結構，遵守“強側柱弱中柱與強柱弱梁”的定理，以此來確定塑料鉸鏈出現在梁端。在結構的分析設計之中，一定要作為整體結構的主要組成部分，它的變換結構使用符合現實的應力變形狀態計算模型以此來計算三維空間的整體結構。在一些情況下，有必要使用有限元方法對變換結構進行局部補充計算。

4 結語

搭接柱轉換是一種合理有效的轉換結構，特別適用于結構高級轉換，具有優異的抗震性能。在地震作用下，搭接接頭轉換順利地實現了轉換層上下層的平滑和過度的橫向剛度，從而避免了結構橫向剛度的垂直剛度引起的不利地震效應。

參考文獻

[1] 顧磊，徐培福.福建興業銀行大廈搭接柱轉換結構有限元分析和預應力策略[J].建筑結構，2003（12）：13-16.

[2] 徐培福，傅學怡，耿娜娜，等.搭接柱轉換結構的試驗研究與設計要點[J].建筑結構，2003（12）：3-7.

[3] 王世村.搭接柱轉換結構設計研究[J].建筑結構，2014（5）：71-74.