建筑工程中带斜柱转换结构设计分析

范松伟

（广东呈斯意特建筑设计有限公司，广东 惠州 516000）

建筑工程中带斜柱转换结构设计分析

范松伟

（广东呈斯意特建筑设计有限公司，广东 惠州 516000）

建筑功能的充分发挥，离不开建筑结构的完美设计，而建筑结构的设计在很大程度上决定了建筑工程项目建设的成功与否。斜柱转换结构在建筑工程中的应用，是建筑业发展的必然趋势。从斜柱转换结构及其优点、斜柱转换结构的研究现状，以及斜柱转换结构在实际建筑工程中的应用3个方面进行了详细的叙述，为建筑工程中带斜柱转换结构的科学设计奠定了坚实的基础。

建筑工程；斜柱转换结构；优点

0 引言

现代建筑正在朝着功能多样、形式复杂的方向发展。建筑功能的充分发挥，离不开建筑结构的完美设计，而建筑结构的设计在很大程度上决定了建筑工程项目建设的成功与否。斜柱转换结构作为当前建筑工程，尤其是高层建筑工程的重要结构形式，不仅受到了建筑行业的广泛应用，而且其实际应用效果得到了社会的高度认可。因此，加强对斜柱转换结构的研究有重要意义。

1 斜柱转换结构及其优点

1.1 斜柱转换结构

斜柱转换是建筑工程领域新兴起的一种转换形式，不仅具备良好的经济性能，而且受力模式完整，建筑用途广泛，在国内很多工程中得到了广泛的应用。斜柱转换结构在很大程度上可以说是梁式转换与桁架转换的有机结合，所以又叫做具备桁架转换。斜柱转换结构主要适用于墙肢长度相对较短或者上层柱网相对较密的情况[1]。在建筑中，如果短肢剪力墙与框支柱的距离相对较近，跨中恰好没有柱子支撑在转换梁上，此时斜柱转换结构的优势就可以充分的体现出来了。

1.2 斜柱转换结构的优点

传统的梁式转换结构需要承担非常大的弯矩与剪力墙，其断面与配筋的使用量大，施工不便，在一定程度上影响了建筑工程的发展，而斜柱转换结构能够有效避免传统梁式转换结构的缺点，优越性较突出。不论是从经济效益与建筑用途方面考虑，还是从受力模式方面考虑，斜柱转换结构都属于一种较好的结构转换形式。

1.2.1 灵活布置，直接传力

斜柱转换结构能够将建筑的上部载荷有效传递给下部构件，不需要梁在中间起传接作用，能够有效减轻梁的负担，减小梁的剪压比。通常情况下，转换梁的断面受剪压比影响，使用斜柱转换结构能够减少梁断面的尺寸，降低转换梁高度，进而降低结构自重，将转层层高的优势充分利用起来。

1.2.2 增加转换层抗侧刚度

斜柱不仅能够承担竖向重力的载荷，而且是抗侧力构件，同时能够在减小转换梁刚度的同时增加转换层的抗侧刚度，具有非常好的抗震效果。梁系与框支柱，以及斜柱构成的单元结构具备非常稳定的几何形状。使用钢筋混凝土桁架的斜腹杆用于抵抗由于水平剪力引起的主压应力与主拉应力，与剪力墙的抗剪效果是一致的。因此，斜柱转换结构更容易满足刚度比的要求。

1.2.3 保护梁柱节点

原来的转换梁在大震的作用下从梁柱节点梁端先出铰，而斜柱的存在使得转换梁在大震作用下从斜柱与梁的交点先出铰。斜柱的存在使得梁柱节点得到了有效的保护，对结构抗震的意义非常大[2]。

1.2.4 增加建筑功能

斜柱转换结构结构能够在很大程度上满足建筑要求，实现采光与管道铺设的顺利进行。在建筑高度不变的情况下，与传统的梁式转化相比较，斜柱转换结构更能够节约空间，促使建筑使用效率的提高。

2 斜柱转换结构的研究现状

2.1 竖向载荷传递途径

剪力墙的竖向载荷传递途径主要有以下三种。第一种，剪力墙的竖向载荷先传递到方柱的上方转换梁，然后在由转换梁传递到方柱上；第二种，剪力墙的竖向载荷依然是先传递到方柱的上方转换梁，然后在由梁受剪的拱作用传递到方柱上；第三种，剪力墙的竖向载荷先由转换梁传递到斜柱上，然后再通过斜柱传递到方柱上。第一种与第二种载荷传递途径传递的载荷能够达到总载荷的60%。提高混凝土的强度不仅能够使得节点受力性能得到改善，而且避免了较高载荷下剪力墙的非线性突变，同时还能够在混凝土强度提高时，促进梁内拉应力的减少。

2.2 实腹斜柱结构的优势

与空腹斜柱相比较，实腹斜柱的剪力墙应变不论是加载初期，还是试件破坏应力，都较均匀；空腹斜柱转换节点的受力状态与轴心受压相近，与桁架结构中的斜杆基本相同；实腹斜柱的受力模式与梁式转换的更接近。

2.3 裂缝形式

剪力墙的底部压应力在弹性状态下是呈均匀分布的，其随着转换梁刚度的增加而越发分布均匀，同时转换梁的所受轴力与弯矩也随之加大，此时剪力墙开裂的荷载增大，多出现竖向裂缝[3]。剪力墙的开裂荷载随着转换梁抗弯刚度的减小而增加，裂缝多呈现出的是斜向形式。

2.4 转换梁的偏心受拉特征

剪力墙间的转换梁是工程建筑的关键部分，偏心受拉特征明显。斜柱和转换梁的相交点受到了非常大的弯矩和剪力。事实上，转换梁也是偏心受拉构件的一种，在与剪力墙、斜柱的共同作用下，具备很强的刚度。在竖向载荷的作用下，斜柱与轴心的受压构件类似。如果是竖向载荷与水平载荷同时作用，受力相对复杂，斜柱中部主要是小偏心受压或受拉，斜柱两端同时受到轴力与剪力作用，尤其是位于斜柱底部的弯矩与剪力作用。所以，工作人员必须要将斜柱的底部作为控制截面进行全方位设计。

2.5 其他方面

斜柱水平方向的分力作用随着斜柱与方柱之间夹角的增大而增大，所以转换梁的开裂相对较早。当然，斜柱和方柱之间的夹角越大，剪力墙的应力分布就越不均匀，同样短肢剪力墙承载力就越不能够得到充分的发挥。斜柱和转换梁之间的连接与铰接类似，斜柱与二力杆的受力情况类似，通常都是表现为轴压。水平载荷的作用下，转换梁会受到斜柱的推力，因而在转换梁和斜柱的相交点会出现转交变形或者出现呈现出拱状[4]。工作人员在进行设计工作时，要将斜柱的向上推力考虑到，特别是向上推力产生的负弯矩。在低周反复载荷的作用下，斜柱转换结构的滞回曲线较饱满，具备良好的延性，抗震性能突出。

3 斜柱转换结构在实际建筑工程中的应用

斜柱转换结构是当前建筑领域新兴的一种转换形式，虽然在我国的现行规范中还没有具体条文，但是在实际工程中应用已经相当广泛。在深圳某大厦的施工中，要求在22层与23层之间柱网收进，于是建筑师在大厦的22层与23层之间进行了转换层的设置；沈阳某广场，在完成上部两排柱与下部的一排柱的斜柱转换过程中，采用了三角形斜柱结构，不仅实现了建筑功能，节省了空间，而且增加了使用面积，降低了工程成本；重庆某商城采用了V型斜柱转换结构，这个建筑的地下一层为车库、地下二层为设备间、地上1层到10层商场、第11层到26层是住宅、第27层与28层是设备层，建筑师为整个建筑设计了框架—筒体结构，通过利用地上第9层与第10层形成一个V型柱，进而实现了高位转化，在节约空间、降低成本的同时，给建筑造成也增加了新的色彩；位于重庆的泸州老窖地产有限公司开发的国窖明城，地下一层为地下室，地上一层至地上3层为超市与商场、地上3层以上是商品房。基于此，设计师在地上3层与4层之间进行了转换层的设置，采用的是斜柱与加腋的转换结构形式[5]。

以上叙述的应用了斜柱转换结构的建筑，都是按照桁架模型设计的，而且是斜柱直接支撑小方柱的形式。随着对建筑要求的不断提高，斜柱上面不再仅仅局限于方柱，多数采用了短肢剪力墙。就目前的建筑发展状况来看，上部设置为短肢剪力墙的柱网建筑工程已经非常常见。依据斜柱、剪力墙，以及框支柱的关系，斜柱形式主要分为三种：

1）斜柱为上部的剪力墙分为两段支撑，一段支撑框支柱，另一端支撑斜柱。

2）斜柱为上部的剪力墙仅仅支撑一根斜柱，所谓半桁架模。

3）斜柱为上部的剪力墙支撑相交斜柱，其中交点位于剪力墙下端，即完整桁架模型。

4 结语

综上所述，斜柱转换结构在建筑工程中的应用呈现出很多其他结构形式不可比拟的优势，具备非常广阔的发展前景，是一种值得广泛推广与应用的新型建筑结构。因此，相关工作人员需要对斜柱转换结构在实际工程中的应用加强进一步的研究与分析，发挥结构优势，总结实际应用中的缺陷，进而实现协助转换结构应用的优化，在降低工程建设成本、节约施工资源、降低工程造价的同时，提供工程建设效率，促进工程建设的顺利施工。

[1]卢挺.框支短肢剪力墙结构中斜柱式与梁式转换结构的抗震试验研究[D].重庆大学，2006.

[2]何沛.高层建筑厚板转换层结构的研究和应用[D].西安建筑科技大学，2007.

[3]王章浩.低周反复荷载作用下框支—短肢剪力墙中斜柱转换结构的试验研究[D].重庆大学，2005.

[4]祁勇，朱慈勉，钟树生等.框支短肢剪力墙斜柱式转换结构抗震性能试验研究[J].结构工程师，2013，29（2）：70-74.

[5]祁勇，钟树生.框支短肢剪力墙转换结构抗震性能试验研究[J].四川建筑科学研究，2013，39（4）：223-226.

TU973+.3

A

1673-1093（2015）06-0079-03

范松伟（1980），男，广东惠州人，中级工程师，研究方向：建筑结构设计。

10.3969/j.issn.1673-1093.2015.06.020

2015-02-27；

2015-03-05