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

文/欒明輝 山東鋼鐵集團房地產(chǎn)有限公司 山東青島 266071

隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟的發(fā)展，各類造型復(fù)雜高層建筑不斷涌現(xiàn)，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(jié)構(gòu)當(dāng)豎向收進較少時通常采用斜柱或搭接柱方案來實現(xiàn)建筑立面的要求。由于此類結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件有突變，斜柱層及相鄰上下層受力復(fù)雜，在地震作用下可能形成結(jié)構(gòu)的軟弱部位或薄弱層，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計也有其自身的特點。

1、斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)及其優(yōu)點

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。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 斜柱式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的優(yōu)點

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

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%。提高混凝土的強度不僅能夠使得節(jié)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(nèi)拉應(yīng)力的減少。

2.2 實腹斜柱的機構(gòu)優(yōu)點

實腹斜柱結(jié)構(gòu)和空腹斜柱結(jié)構(gòu)相比，剪力墻體承受的負(fù)荷、應(yīng)力都比較勻稱，更接近傳統(tǒng)梁式結(jié)構(gòu)的受力轉(zhuǎn)換模式。而空腹斜柱結(jié)構(gòu)其受力轉(zhuǎn)換點處的受力情況類似于軸心負(fù)荷模式，類似于桁架的斜桿負(fù)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(zhuǎn)換梁的剛性強度越大，壓力分布越發(fā)勻稱，轉(zhuǎn)換梁承受相應(yīng)軸力以及彎矩亦隨之增大，因此當(dāng)引起剪力墻表面裂開的力量越大，便越可能豎向出現(xiàn)裂痕。若誘發(fā)剪力墻表面開裂的力量與剛度成反比時，往往斜向出現(xiàn)裂縫。

2.4 轉(zhuǎn)換梁具備的偏心受拉特點

轉(zhuǎn)換梁（剪力墻體之間）是此類建筑中最關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換梁處對偏心方向拉力具有較強適應(yīng)性，在加上剪力墻和斜柱共同作用下，剛度性能頗大。當(dāng)承受向下力量時，斜柱和軸心承壓結(jié)構(gòu)相近。倘若結(jié)構(gòu)同時受到向下和水平兩個方向應(yīng)力時，受力情況變得更加復(fù)雜，斜柱的中間部構(gòu)通常只受到較小的偏心壓力或拉力，兩側(cè)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(shè)計者務(wù)必以斜柱底端為其控制核心全面綜合考慮完成設(shè)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(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會出現(xiàn)轉(zhuǎn)交變形或者出現(xiàn)呈現(xiàn)出拱狀。工作人員在進行設(shè)計工作時，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、主要加強措施

3.1 分別采用兩種不同的空間結(jié)構(gòu)分析程序，考慮樓板實際剛度和藕聯(lián)振動影響，計算結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)，分析斜柱層及相鄰上下層樓板應(yīng)力水平和分布，對兩種程序的計算結(jié)果加以判斷，關(guān)鍵構(gòu)件設(shè)計取包絡(luò)內(nèi)力；補充采用兩種程序的彈性時程分析，與反應(yīng)譜分析結(jié)果進行對比，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3.2 通過調(diào)整核心筒剪力墻開洞位置及尺寸，減小平面質(zhì)心與剛心偏離幅度，且適當(dāng)增大外框梁截面尺寸，從概念設(shè)計角度減小平面扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。本工程最大扭轉(zhuǎn)位移比為1.43，出現(xiàn)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(guī)則的大底盤裙樓所致。裙樓以上的塔樓部分通過合理的結(jié)構(gòu)布置，兩個方向的最大扭轉(zhuǎn)位移比分別僅為1.27和1.29，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)得到了較好的控制。

3.3 確保重要受力構(gòu)件強剪弱彎：構(gòu)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(gòu)件的延性變形能力，達(dá)到“中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。

3.4 重點分析與斜柱相連的框架梁內(nèi)力，設(shè)計時通過提高配筋率和增加抗扭筋的設(shè)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(chǎn)生的水平分力，與框架梁協(xié)同工作。

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)在實際工程中的應(yīng)用加強進一步的研究與分析，發(fā)揮結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，總結(jié)實際應(yīng)用中的缺陷，進而實現(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、降低工程造價的同時，提供工程建設(shè)效率，促進工程建設(shè)的順利施工。