高层建筑中斜柱转换结构

高层建筑中的斜柱转换结构探讨

摘要：转换层设计是高层建筑结构设计中非常关键的部分。工程实践结果表明，斜柱转换在高层建筑结构转换层中应用越来越多，它能将建筑的美与结构的经济性、受力的合理性有机结合在一起，具有安全、经济，合理的特点，做到优化设计。

关键词:高层建筑结构转换层斜柱转换

中图分类号：[tu208.3] 文献标识码：a 文章编号：

1 引言

由于建筑功能的需要，形成了建筑上层的结构形式与下层的结构形式不一样;或上下层结构形式一样，但上下层结构的柱网的尺寸不一样。为解决这一矛盾，就采用了转换层结构。高层建筑结构转换层形式有梁式楼盖转换、箱形楼盖转换、桁架转换、厚板转换和斜柱转换。

从建筑功能上看，上部需要小开间的轴线布置和需要较多的墙体以满足旅馆和住宅的功能要求；中部则需要小的或中等大小的室内空间，可以在柱网中布置一定数量的墙体以满足办公用房的功能要求；下部需要尽可能大的自由灵活的室内空间，要求柱网大、墙体尽量少，以满足商店、餐馆等公用设施的功能要求。

从结构受力上看，由于高层建筑结构下部楼层受力很大，上部楼层受力较小，正常的结构布置应是下部刚度大，墙体多、柱网密，到上部渐渐减少墙、柱的数量，以扩大柱网。这样，结构的正常布置与建筑功能对空间的要求正好相反。因此，为满足建筑功能的要

求，结构必须进行“反常规设计”，即将上部布置小空间，下部布置大空间；上部布置刚度大的剪力墙，下部布置刚度小的框架柱。为了实现这种结构布置，就必须在结构转换的楼层设置水平转换构件，即转换层结构[1]。可以说，这类建筑已成为现代高层建筑发展的一大趋势，尤其是现代大中城市用地紧张以及复杂的立体交叉更是如此。

2斜柱转换的概述

对于斜柱转换，它排除了梁式楼盖转换、箱形楼盖转换、桁架转换、厚板转换的缺点，同时具有上述转换的优点，能够达到转换灵活，传力直接，将上部荷载直接传给下部承重构件，而不需先传到梁，再由梁传到柱，因此减轻了梁所受的剪力负担，使梁的剪压比大幅度减小。一般来讲，转换梁断面一般由剪压比控制，因此就可以减小转换梁断面尺寸，这样就可以大幅度减小结构自重，从抗震角度上来讲是非常有利的;从建筑功能上，斜柱转换非常容易地满足建筑的要求，并且可以降低层高，在建筑总高度不变的情况下，可以节约净空，提高建筑使用效率。因此，无论是从经济、建筑用途、还是受力模式上，斜柱转换都是非常好的结构转换。

斜柱转换应用在高层建筑中能将转换层使用空间有效转换，变“死空间”为“活空间”，并使转换大梁的断面大幅度的减少、配筋大幅度的降低，同时传力明确，所以具有很好的经济性，因而具有非常大的应用前景。在建筑美学上，斜柱转换体现了建筑结构的力度感，丰富了建筑立面，增强了建筑的韵律。

传统的梁式转换,由于其转换大梁需要承担巨大的剪力及弯矩,其断面及配筋往往用料相当多,施工也不便。斜柱式转换有效地避免了梁式转换一些缺点,体现出较大的优越性,具体表现为:

(1)斜柱式转换布置灵活,传力直接,将部分上部荷载直接传给下部承重构件,而不需先传到梁,再由梁传到柱,因此可减轻梁所受剪力的负担,使梁的剪压比大幅度减小。转换梁断面一般由剪压比控制[2],因此采用斜柱式转换可减小转换梁断面尺寸,有效地降低转换梁的高度,大幅度减小结构自重,充分利用转换层层高。

(2)斜柱除了承担竖向重力荷载外,同时也是重要的抗侧力构件,斜柱的存在减小了转换梁的刚度却增加了整个转换层的抗侧刚度,从抗震角度上来讲这是非常有利的。因而斜柱式转换更容易满足文献[3]式(e1011-1)的刚度比要求。

(3)试验证明,斜柱的存在使得转换梁在大震作用下的屈服机制从原来的梁柱节点梁端首先出铰向外转移到斜柱与梁的相交节点首先出铰,这种塑性铰的“外移”很大程度上保护了梁柱节点,对结构抗震有着重要的意义。

(4)从建筑功能上,斜柱转换可非常容易地满足建筑要求,可方便采光和管道铺设。在建筑总高度不变的情况下,相对于梁式转换,它可以节约净空,提高建筑使用效率。文献[4]对一实际工程用梁式和斜柱式两种转换方案分别进行电算,对两种方案力学性能及经济性进行对比。

斜柱转换是一种非常有效的转换形式,但它的节点计算，构造设计有待于进一步深入地研究。

设计中需注意的几个问题:

(1)由于斜柱在其与竖柱相交的楼层中心面上产生一水平向的分力作用于楼层，对该水平力最好的处理办法应是设法在最短的传力途径上加以平衡。

(2)有鉴于楼层活荷载的存在，严格的荷载对称情况是不存在的。基于此，对采用斜柱转换的受拉楼层的梁板配筋应作特殊考虑。一般情况下，板面上下及梁内纵筋宜连续配筋，其钢筋接头的搭长应按受拉力作用的要求处理。考虑到有可能出现较为严重的不对称荷载，所以斜柱转换结构不得用于纯框架体系;而宜用于含墙量较大，类似具有核心筒的框剪体系结构之中。

(3)当采用斜柱转换时，斜柱、竖柱中轴线应是与楼层梁的中轴线交汇一点(个别交于核心筒壁时可例外)。斜柱穿越的楼层最少是一层，也可根据需要穿越2一3层。增多穿越层数可使斜柱作用给楼层的水平分力大为降低.

(4)在进行具有斜柱转换的结构计算中，计及拉杆作用时，对其变形计算应考虑开裂刚度的影响。

(5)在斜柱转换的斜柱上下节点中，多向钢筋的交汇将给施工造成很大困难;对此，设计中应尽量考虑施工方便。

(6)斜柱转换中的斜柱布局实际上是桁架结构中最简单的基本单

元—三角形布局形式。桁架结构与板、梁结构相比，构件只承受轴向力，传力简单直接，采用它可明显取得节约空间、增大使用面积、免除过大集中质量对地震作用的不利影响、节约材料、降低造价、方便施工等效果。

5结论

斜柱式结构在高层建筑转换层结构中的应用有许多优点,斜柱转换的发展前景理应是相当广阔的;但也应看到另一方面，即其技术性要求较高，它不象厚板转换及巨型梁转换那样适用面广、不存在更多的制约条件。采用斜柱转换结构时要求结构工程师与建筑师紧密配合，进行布局协调;在选定斜柱处理的形式时应灵活组合、妥善设置。

参考文献

[1]娄宇、魏琏、丁大均.高层建筑中转换层结构的应用和发展.建筑结构. 1997.no1. p21-41.

[2]罗迪、罗兆辉.高层建筑转换层结构设计中的几个问题分析.天津城市建设学院学报. 1999. 9.vo.l 5no. 3.

[3]徐培福等. jgj3-2002.高层建筑混凝土结构技术规程.北京.中国建筑工业出版社.

[4]陈绮、钟树生.斜柱转换与梁式转换在益辉大厦中的对比研究.重庆大学工程硕士论文. 2004.