建筑结构层间搭接柱转换结构设计

邹安宇

摘 要：建筑行业飞速发展，多种技术在实践中得到提升。在项目工程的施工过程中，因为使用层间搭接转换结构所带来的优越性是其他的结构不能比拟的，所以搭接柱转换结构应运而生。在建筑工程施工过程，搭接柱拥有很多的优点，例如，动力清晰、直接传力。这充分说明了搭接柱转换结构已经成为了一种成熟的技术，它能够合理经济地解决上下柱的不对中问题，以此来达到建筑工程的立面上轮廓内收的目的。本文主要讨论了搭接转换在项目工程中的应用，并阐述了搭接结构，搭接以及相关楼板结构的整体分析。

关键词：层间搭接柱 转换结构 应力分布

中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）03（c）-0153-02

搭接柱转换结构是一种新的结构转换形式，与以前的梁转换结构和厚板转换结构以及箱形又或者桁架转换结构相比较，经济又实用。搭接柱的转换结构可广泛用于框架-圆柱结构和框架结构转换，建筑物立面需要凹入凸起结构。

1 搭接柱转换结构简述

当建筑物外围框架的柱框架网络交错时，倘使采用梁式转换的结构，转换梁需要接受比较大的剪切力与弯矩，这将导致转换梁的横截面变的会较大。另外，在建筑施工时大量使用钢筋，会使得结构变得复杂以及使得转换层的空间较小。当转换层改变得比较高的时候，抗震的性能将会变得特别差。搭接柱的自重小，成本低，所以我们可以最大化的使用转换层的结构空间。

经过大量的事实证明，垂直柱的荷载能够经过搭接柱的剪切变形功能把上柱里的轴向的压力传到下柱中去，而且因为搭接柱上下柱自身的偏心率所造成的弯矩经过由上下两个地板的覆盖梁以及搭接接头旁边的木板具有的压力与拉力造成的反向耦合来平衡。搭接接头的转换结构大致确定了框架柱，避开了刚性大与转换梁的转换层。框架柱的横截面尺寸和刚度在垂直方向上基本保持均匀，从而避免了结构横向刚度的垂直变化、抗震的不利影响。在发生地震的情况之下，框架柱的受力情况依然保持在正常状态，地震所造成的影响比较小，虽然搭接接头受到地震的作用力，但是只要框架柱依然拥有优秀的延展性以及强大的承载能力，整个结构的抗震能力依旧特别完美。

2 关于搭接柱转换结构的设计必须思考的因素

2.1 搭接块的内力

在搭接柱受到竖向荷载作用下，搭接应力的基本特征是：上柱的轴力、梁端的剪切力和搭接接头的自重与下柱的轴向力之间的平衡；上下柱的偏心距、搭接接头的偏心距和梁端剪切力和端部剪切力产生的力矩与梁端弯矩和柱端弯矩平衡；搭接接头和梁和柱一起形成节点刚性区域，它通常具有大的横截面尺寸[1]。

2.2 搭接块的平面应力状态

在结构的最大应力状态下，施加到壳单元顶部的线载荷是规范给出的限制。搭接接头及其上下柱的应力状态和梁端的集中力。随着搭接接头的高度增加，搭接接头底板上的横梁的X方向反作用力显着减小，即搭接接头增加。高度可以减小传递到框架梁支撑件的X方向反作用力，但是当搭接块的高度H达到限定高度时，搭接块的高度增加，并且X方向反作用力的影响增大。这表明，在一定高度内增加搭接块的高度可以有效地改善搭接塊的力传递效果。在搭接块的高度超过极限之后，改善效果减弱，并且由于搭接块的高度的增加，上柱可能变成短柱。随着搭接接头的高度增加，搭接接头所在的地板上的横梁的Y方向反作用力首先缓慢增加，当高度H达到限定高度时趋于稳定。因此，当考虑搭接接头在高度H达到限定高度后，没有额外的意义[2]。

2.3 转换结构的构造方法

首先，由于搭接柱上柱和下柱受到偏心挤压，柱压应力较大，为了防止搭接柱的上下柱发生脆性断裂，应适当增加搭接接头的刚性。同时，为了避免上柱形成短柱并防止搭接块的高度过大，为了提高柱的延展性，箍筋需是完全高度加密的，并且纵向钢筋的配筋率和箍筋的体积箍圈比适当增加。由于柱的缩回，整个搭接接头具有顺时针旋转的趋势，楼板和楼板共同约束搭接接头的旋转，使板坯的压缩应力较大，楼板应局部加厚，需要进行双层双向加固等施工措施[3]。

2.4 搭接的仿真方法

在整体计算中，考虑上柱和下柱之间的搭接接头的内力传递，并且在参数选择中考虑梁端和柱端的刚性端。该方法可以模拟搭接接头与整体结构的刚性和重叠、梁/柱刚度和加固的影响。

3 搭接柱设计具体探讨

3.1 连接压力梁的设计

上梁是偏心受压的一种构件，轴向压力主要和搭接块上柱的尺寸以及转换层高度的比值有关联，弯矩决定转角的旋转角度，实际上上梁充当了整个转换结构中的压力杆。假使在转换层的下梁之中加入预应力以此来控制搭接块的旋转以及横向位移，那么上梁端承受的弯曲力矩的影响将会变得更小，而且压杆的作用也变得特别大。另外为了充分的发挥它的水平支撑的效果而不引起大的弯曲变形，还应充分保证它的刚度。

与拉杆梁相似，拉杆梁中有很大一部分的压力由地板承担，梁中剩余的其他压力被核心筒壁来承受。梁与板是共同浇注共同工作的，当拉杆梁承受正弯矩的时候，翼缘将会承受纵向压应力，以此来平衡肋内纵肋的拉力。另外，无论钢筋参与力如何，设计时梁的实际承载力也可能比柱的实际承载力大，所以可能会形成“强梁弱柱”的情况。因此，在实际设计中应考虑梁的有效翼缘的作用。

3.2 设计转换层的下层柱

对于搭接柱的局部分析，因为加入了垂直载荷，所以不思考水平载荷的影响，并且因为下梁与上梁的水平支撑力，搭接柱的实际剪切力不大。在现实的高层结构设计之中，水平荷载不能忽视。在水平载荷下，将会产生横向位移，并且柱中的剪切力将会变得非常大。所以，箍筋配置一定需要全部满足剪切的要求，而且应该全部加密。另外，轴向压力的产生将在很大程度上加强柱的抗剪强度，但是为了避免延性差以及小的偏心压缩损伤，设计轴压的比不应该太大。建议普通框架柱的轴压比限制比它的轴压比增加0.1.即第一次抗震时柱的轴压比限制为0.6，第二次抗震性能为0.7，第三次地震时为0.8。当难以满足上下剪切刚度比与轴压比时，混凝土或钢填充钢管柱可用来增强柱的变形刚度比以及力学性能和轴压比。在结构的设计之中，还必须遵守“强柱弱梁”的原则，即柱一定要设计得比其附着的梁更坚固。

3.3 其他相关的设计原则

搭接柱的转换层结构设计还必须遵守下列原则：依据“增强转换层和其下部，减少转换层上部”的规定，下部与上部的变形特性与刚度。转换层下部的最重要结构应该尽可能接近转换层的上框架结构，遵守“强侧柱弱中柱与强柱弱梁”的定理，以此来确定塑料铰链出现在梁端。在结构的分析设计之中，一定要作为整体结构的主要组成部分，它的变换结构使用符合现实的应力变形状态计算模型以此来计算三维空间的整体结构。在一些情况下，有必要使用有限元方法对变换结构进行局部补充计算。

4 结语

搭接柱转换是一种合理有效的转换结构，特别适用于结构高级转换，具有优异的抗震性能。在地震作用下，搭接接头转换顺利地实现了转换层上下层的平滑和过度的横向刚度，从而避免了结构横向刚度的垂直刚度引起的不利地震效应。

参考文献

[1] 顾磊，徐培福.福建兴业银行大厦搭接柱转换结构有限元分析和预应力策略[J].建筑结构，2003（12）：13-16.

[2] 徐培福，傅学怡，耿娜娜，等.搭接柱转换结构的试验研究与设计要点[J].建筑结构，2003（12）：3-7.

[3] 王世村.搭接柱转换结构设计研究[J].建筑结构，2014（5）：71-74.