复杂建筑结构竖向荷载传递工程实例分析

2023-10-13周秋玲单县城市建设投资集团有限公司山东菏泽274300

安徽建筑 2023年10期

周秋玲（单县城市建设投资集团有限公司，山东菏泽 274300）

1 引言

由于社会和经济的发展程度限制了传统建筑的功能，传统的建筑形式比较规整，垂直载荷的传播途径也比较简单，一般是直接向下传递。比如，80 年代初建成的深圳国贸国际集团有限公司以及国内第一个独立设计的上海金沙江宾馆等，它们的垂直载荷都是由垂直向下贯穿的构件直接传递给地基。随着时代的发展，人们对建筑外观的要求越来越高，功能也越来越多样化，垂直构件之间的断续现象带来了很大的挑战。第一种是由于建筑形态的需求，出现了大型悬挑、连体等错综复杂的建筑物，比如央视总部、深圳腾讯的滨海大厦等；第二种是在垂直方向上的功能变化，比如上海剧院的底层是剧院，上层是宴会大厅，日本中之岛音乐厅的中层是音乐厅，上层是一般的办公室。这两种类型的建筑物都会造成垂直构件的非连续性，因此必须设置过渡结构。

为了探索复杂结构垂直载荷的传递途径，本文通过大量实例，详细地分析了复杂结构垂直载荷的传递途径和对应的结构转化方式，并对其进行了较为全面的整理，希望能对复杂结构进行工程设计有一定的借鉴作用。

2 竖向荷载传递路径

2.1 传递路径分类

按照垂直载荷的传播方向，它的传播途径可以分成三种，一种是垂直向下的传播，也是最常用的垂直向下传递；第二种是先横向转移，然后垂直向下转移，需要设置横向转移部件;第三种是由上而下，然后是横向的，最后是垂直向下的，需要通过安装吊杆和横向的转换部件来完成。在结构复杂的情况下，为了适应建筑的特殊形态或者复杂的功能分配，往往需要使用2、3种载荷路径。

2.2 第二类荷载传递路径

在建筑物出现立面收缩、连廊、悬挑时，由于底层较大的空间和其它复杂的功能发生改变，造成了垂直构件的非连续性，必须通过改变结构使垂直荷载在横向上转移，再在其它纵向上继续向下转移。常用的转换构造类型有转换梁、转换桁架、转换空腹桁架，变换斜杆和变换缆绳，如图1 所示。不同类型的横向变换构造有其特点和应用领域，应结合工程的功能需求和结构的受力特点（跨度、荷载）合理选择。

图1 水平转换结构形式

2.3 第三类荷载传递路径

由于建筑造型美观、视觉通透性的要求，一些复杂的结构可以采用竖立悬挂和横向变换的方式来完成。按照承载路径的长度，可将其划分为屋顶悬挂和分段悬挂两种类型，如图2所示。

图2 竖向荷载向上传递结构形式

屋顶悬吊的垂直载荷转移主要是由吊杆直接传递，然后由垂直的连续构件（典型的芯柱或框架柱子）向下传递，高雄市立图书馆和西安国际会展中心等多层小高层建筑进行应用。分区悬挂垂直载荷的传输模式与屋顶悬挂相似，垂直分段法将垂直载荷由吊杆和横向转移结构逐渐转移到垂直连续构件，如上海中心大厦、北京保利国际大厦等。

3 第二类荷载传递路径实例分析

3.1 转换梁

转换梁是一种常用的过渡结构，在跨距较小、两端有其它垂直支撑的情况下。转换梁形式简洁、传递力直接、经济性好，典型的如中国银联运营中心、仁恒海岸中心等。

中国银联业务总部设在上海市，总楼高150m，地面36 楼，占地90000m2。图3a、3b 中所展示的主要建筑物的用途是办公室。为了达到轻而透明的作用，只在下侧框架设置4 个巨型立柱。上部的载荷需要由四个大圆柱的过渡构件进行转移。根据建筑物外形的需要，外观要整齐，不能有斜截面，所以在过渡段垂直载荷的问题比较严重。经过比较，选定了伞式变换梁竖向载荷，可以平衡外框立柱所承受的垂直载荷，从而防止由于交叉变换而导致单个框架柱受力集中的问题。该结构为变断面的工字型钢箱形结构，其最大跨距为9.5m，最短跨6.75m。这种转换机构的受力形式简单，传递力均匀，而且变换梁板构件尺寸小，加工方便。

在结构设计中，把变换梁设在窄侧方向上，这是因为它的传递通道很小。在35 楼，使用横断面1200mm×1800mm、直径10m 的钢筋混凝土转变梁，用于支撑上构架。在这种情况下，转换梁体的两端均由核心圆柱和外部框架圆柱支撑，其承载能力的途径如图4 所示，并由该转换梁将上部的受力转移至两个垂直的构件。

3.2 转换桁架

在过渡段跨越过长的情况下，过渡梁段的断面也会增大，从而降低了经济效益。日本中之岛音乐厅、北京中银大楼、程十发画廊等为具有代表性的建筑物。日本中之岛音乐厅，坐落在日本大阪，39 楼，200m 高，上层楼的功能是办公。在大楼的下半部分，跨度为30m，2700 个大型的音乐厅，如图5（a）、5（b)。由于垂直结构的改变，使其内部不存在垂直的连续构件，因此必须进行结构的过渡。在设计时，选用了大型桁架作为垂直荷载的过渡结构，跨30m。大型桁架的腹杆是一种具有四边形的箱型钢结构，其截面为箱形，其高度1500～2000mm。上部结构的核心筒载荷由桁架斜腹杆均匀地传递给16 个对称排列的大型柱子。在转换桁架的上部增加了一道钢桁架环形，以增强上部结构的刚性。

图5 日本中之岛音乐厅

3.3 转换空腹桁架

与变换桁架比较，空腹桁架缺乏斜腹杆，承载能力稍差，而空心桁架的透过率较高。既能满足建筑的空间设计，又能充分利用室内的空间，从而提高使用的效率。同济大学图书馆、郑州新闻大楼等地采用了空腹桁架承载垂直荷载。

同济大学图书馆的主体建筑为50m 高，11 层为地面。为了不影响旧图书馆的正常使用，在旧图书馆二楼上层设置了一个悬空楼面作为新的主体建筑的阅读空间。为了达到这种建筑的作用，以两层为一结构单元，由四根竖向梁柱和腹板壁支撑，构成一悬挑7.65m 的超静定空心桁架。同时，为了减少悬挑结构的变形，在横梁中加设预应力筋，见图6（b）。下弦式空心桁架采用混凝土梁，断面尺寸为400mm×1150mm，腹板采用混凝土剪力墙，断面尺寸125mm×1500mm。

为了达到这种结构特征，结构设计中将5 个双层高耸式腹式桁架与主梁进行铰接，构成双塔式连廊，其楼板承载力由空腹桁架传输至两座塔楼。在结构设计中，通过铰链连接可以确保结构的相对变形，而不会对连廊造成很大的应力。

3.4 转换斜撑

转换斜拉杆是一种常用的悬挑结构，而斜拉杆一般是采用两端铰接的轴向受力构件，其受力比悬挑梁要合理的多。郑州绿地广场是典型的转角斜撑。

郑州绿地中心商场，地面高285m，60 层，是大型商业综合体。该建筑物呈“风轮”形状，在四角构成10.4m 的悬挑区，沿着垂直方向划分5 个分区，在各分区的下层设有两层横梁，横拉横梁的横梁为H600×600×50×70，并将悬挑区的垂直载荷转移至主要构架立柱，其传力路线如图7所示。

图7 郑州绿地中央广场

3.5 转换拉索

转换缆绳是中国银联营运中心的一种新型的辅助转换结构。正如3.1 节所讲，中国银联业务中心（7 楼）的结构下部为伞式转换梁，为了减小外部框架柱的轴力，在结构的上层区域，利用转移缆绳来转移外部框架柱所承担的垂直载荷。在17F和28F的庇护层拐角（如图8所示）中，总共设置了8 个缆绳，每个缆绳具有120mm 的直径，每个缆绳具有2000kN 的预应力。从图8 中可以看出，在17F、28F 层避险层布置拉索，将外部框架的一些负荷分阶段传给中心筒体，减少了外部框架所承受的垂直载荷，使外部框架的轴力下降15%，并减少了下部（7层）的过渡梁的边缘厚度。

图8 中国银联运营中心竖向传力体系

4 第三类荷载传递路径实例与分析

屋面悬挑是将垂直荷载通过吊杆等承重部件传至屋面，然后再从垂直方向上转移。高雄城市图书馆及西安国际会展中心是其标志性的建筑物。为了提高大楼的通风效果，图书馆的外墙没有使用柱子，而使用了3-7 楼的高张力条来悬挂，如图9所示。

图9 高雄市立图书馆

图书馆的建筑体系主要包括4 个垂直的核心圆柱、楼面梁、屋顶桁架、拉杆等。通过地面梁将地面的载荷转移至垂直核心和高张力钢的拉柱。转移桁架通过垂直的支撑将其向上转移到顶部，然后通过过渡桁条传输到垂直的芯柱直到地基，如图9 所示。钢制拉杆的尺寸一般为60～120mm，而常规的结构柱则可将其横断面长度提高900mm。由于其高的承载量，可以有效地减少截面的大小，增加建筑的使用区域，增加建筑物的通过率。

利用受力部件将垂直载荷向下转移是一种较好的载荷转移方式。在房屋的高度受到限制的情况下，可以通过拉杆或缆绳把外墙和局部的承重直接传给屋顶，然后通过屋顶传给其它的垂直结构。在同样荷载作用下，杆件或缆绳的断面一般比承载件（例如框柱梁）的截面要小，其结构形式是由上部向下，然后横向向下。它能显著地减少外墙垂直部件的大小，改善外墙的通风。若大楼是高层或超高层，则将幕墙等周边垂直负荷直接挂到房顶，则会造成吊索负荷过度，故可与装置层配合使用分段悬挂；多层垂直荷载由悬臂梁传至核心筒、巨柱等垂直结构。