高层建筑斜撑转换结构的应用分析

高层建筑斜撑转换结构的应用分析

廖伟峰

广东博意建筑设计院有限公司

摘要：随着我国高层建筑结构形式的复杂化，斜撑转换是其中的一种转换形式，在地震作用下结构受力复杂，并且结构设计的合理性对结构安全及造价有着直接的影响。与较为常见的梁式转换、厚板转换相比，它的转换空间更为充分发挥，在实际应用前景可观。

关键词：高层建筑；斜撑；转换结构

1、工程概况

项目建筑面积316804平方米。其中35#、36#、37#、38#、39#楼地下为人防，地上为18层住宅。具体见图1、图2。

图135#楼网点平面图

图235#楼人防部分平面图

1.1方案阶段发现的问题

1地上部分M轴交1/9轴位置的框架柱落到地下室会影响行车道；2地上部分R轴交1/9轴位置的框架柱落到地下室会影响行车道；3地上部分M轴交10轴位置的框架柱落到地下室会影响行车道。

1.2解决问题的方案

1结构平面方案由小柱网改为大柱网；2人防梁作为转换梁；3在室内±0.000处设转换梁；4其他形式转换。

图3人防梁转换方案

图4斜撑转换和梁式转换方案

图5斜撑转换方案初稿

2、斜柱式转换的应用及其特点

2.1在实际项目中的应用

斜撑转换是一种新型的转换形式，虽然这种结构形式在我国现行规范中没有具体的条文说明，但在许多实际工程中得到广泛的应用：在深圳2000大厦中，建筑上要求在22、23层之间柱网收进，在22、23层之间设置转换层来实现建筑师的构思；沈阳华利广场采用了一种斜三角形斜柱完成了上部两排柱到下部一排柱的斜柱转换，满足了建筑物的功能，节约空间，使用面积增大，节约材料，降低了工程造价；重庆银星商城是国内高层建筑中首个采用V形斜柱转换形式的工程实例，该建筑地下1层~2层为地下车库及设备间，地上1层~10层为商场，第11层~26层为住宅，第27层~28层为设备层，采用框架-筒体结构，利用第9、10层形成V形柱，完成了高位转换，节约了空间，降低了工程造价，为建筑造型增加了新的音符；丹东绿地国际花都项目35#、36#、37#、38#、39#楼地下为人防，地上为18层住宅。在方案阶段发现三处框架落地柱到地下室会影响车道，因此，需对这几处进行斜柱转换，由于地下人防工程已经于2014年3月开工建设，故人防梁转换方案已经不能实现，只能在上部非人防的部分进行转换设计。

上述几个工程实例是按照桁架模型进行设计的，并且都是斜柱直接支撑上部小方柱（相对下部柱子而言），随着对建筑要求的提高，斜柱上面不再是方柱，而是短肢剪力墙，内力的分配就没有上述几个工程明显。目前来看，上部为短肢剪力墙的大柱网高层建筑在工程中已经屡见不鲜。

依据上部剪力墙与框支柱、斜柱的关系，可以分为三种斜柱形式。第一类斜柱为上部剪力墙一段支撑于框支柱上，另一端支撑于斜柱上；第二类斜柱为上部剪力墙仅支撑于一根斜柱上，形成半桁架模型；第三类斜柱为上部剪力墙支撑于相交的两个斜柱上，其交点为剪力墙下端部，形成完整桁架模型；三类斜柱的下部都与下一层框架柱相交，见图6。

图6三种斜柱形式

2.2斜柱式转换的研究现状

张维斌-钢筋混凝土带转换层结构设计释疑及工程实例；朱炳寅-建筑结构设计问答及分析；李国胜-多高层钢筋混凝土结构设计中疑难问题的处理及算例等对高层结构整体转换的设计思想有比较清晰的描述，对基本的设计方法也有比较具体的说明。其中张维斌的书中提到了高层结构局部转换的一些设计思想和设计方法，也提供了具体的工程实例。美中不足的是，他们都没有把多层的局部转换问题进行介绍。陈霖-斜柱转换结构的受力与变形性能研究；陈立聪-斜柱转换结构的受力性能分析；钟树生，王章浩，曹林-竖向荷载作用下变角斜柱局部转换节点研究；周华，魏永涛，于建华，宋妍-采用斜撑转换的框架结构计算分析等属于研究类的文章，介绍了斜撑转换的具体受力形式，节点的内力分析，结构总体受力状态分析，并结合具体的工程进行了经济性比较。都没有形成系统的可指导实体工程设计的理论和具体的技术措施。

2.3斜柱式转换的优点

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：

2.3.1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，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。

2.3.2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。框支柱、斜柱与梁系构成的结构单元具有稳定、良好的几何形状。用钢筋混凝土简单桁架的两个对称布置的斜腹杆抵抗水平剪力引起的主拉应力和主压应力，能达到与剪力墙同样的抗剪效果。

2.3.3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。

2.3.4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。

3、斜撑结构计算建议

3.1当斜撑为钢筋混凝土结构时，鉴于轴拉力可能使下弦楼盖梁产生裂缝而造成刚度退化和对转换结构产生不良效果，应运用弹性楼盖来计算在重力荷载下，下弦楼盖的裂缝量应符合相关裂缝规定；

3.2弹性反应谱大震复核法应用于计算斜撑与下面一层柱子之间的轴向拉力。同时，运用这种方法计算诸如转换层所连接楼层中的竖向构件、下弦楼盖梁和斜撑本身等重要构件的极限承载能力，可保证斜撑转换层的抗震性能；

3.3在计算楼板荷载时，可采用楼板刚度无限大假定，也可在不建立楼板模型的基础上采用静力等效的原理将墙体荷载经计算简化为集中力，楼板的重量简化为作用在框架梁相应面积上的均布压力。

4、结束语

转换层结构随着高层建筑的发展运用越加广泛。应根据高层建筑的功能需求、受力性能、结构经济性等选择合理的转换层。斜撑转换层结构将常规受弯受剪方式转变为受拉受压方式来承受荷载，在承受重力作用的同时保证了传力路径明确，且受力合理。同时，如设置跨越多层的外立面斜撑，使其成为空间桁架，可增加建筑物的结构刚度和抗震能力。因此，斜撑结构不仅受力、传力性能好而且是高效的抗震构件。

参考文献：

[1]陈霖，斜柱转换结构的受力与变形性能研究[D].武汉，华中科技大学，2012

[2]陈立聪，斜柱转换结构的受力性能分析[D].广州，华南理工大学，2011

[3]钟树生，王章浩，曹林，竖向荷载作用下变角斜柱局部转换节点研究[J].重庆大学学报（自然科学版），2005（05）

[4]周华，魏永涛，于建华，宋妍，采用斜撑转换的框架结构计算分析[J].四川建筑，2007，（02）

[5]吕鹏，刘洪亮.带斜柱转换的某高层建筑结构设计[J].广东土木与建筑，2013，04