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作者：鲲鹏
1、转换的类型
结构转换，从狭义上来讲，一般指重力系统中的竖向构件间断。常见的转换形式包括梁式转换、桁架转换、板式转换等。
在重力系统中，竖向荷载一般按照楼板→次梁→框架梁→框柱或剪力墙的方式，逐层往下传递。如果出现竖向构件间断，被间断的竖向构件的力流就无法直接往下传递，结构转换，其实就是为力流转换“修桥铺路”。
图1 竖向荷载直接往下传递
图2 转换位置，竖向荷载先水平，后竖向传递
图3 转换位置，竖向荷载斜向传递
在《关于侧向刚度的一些奇怪想法》这篇文章中，我们曾探讨了框架结构在侧向荷载下力流传递的问题。将框架承受侧向力的结构模型旋转90°，其受力机理与重力系统中的转换模型基本一致。力流的转换模式只有两类，即弯矩式（梁式转换、空腹桁架转换）和轴力式（桁架转换）。
图4空腹桁架
在超高层建筑设计中，我们经常碰到建筑立面的收进或外凸，如果采用平面转换梁托柱，转换梁截面受剪切控制，梁高很高，影响转换层建筑使用，同时，高位大梁转换引起结构刚度和承载力突变，对结构抗震不利。
此时，斜柱转换或搭接柱转换就是一个比较好的选项，这两种转换形式混凝土用料较少，造价低、自重小，转换层本层建筑空间可充分利用，上、下层沿竖向刚度突变较小。
图5斜柱转换
图6 搭接转换
图6a 搭接柱受力简图
现实中的设计，由于建筑条件的限制，混合转换或多次转换也比较常见，力流传递往往更复杂，比如图7的悬挂+桁架转换，图8的斜柱+桁架转换。另外，某些超高层项目，由于核心筒收进，可能会出现一些斜墙转换（图9）。
图7 局部悬挂转换+桁架转换
图8 斜柱转换+桁架转换
图9 斜墙转换
图10桁架转换
除此之外，还有一类比较特殊的转换，我们称之为空间转换，即力流传递不局限于某个特定的二维平面。
图11 空间转换
2、转换带来的问题
前文提及，竖向荷载作用下的转换，可分为两类，一类是弯矩式，另一类是轴力式，前者以梁式转换为代表，后者以桁架转换为代表。
弯矩式转换，首先要研究的是抗弯性能，同时，由于弯矩和剪力相辅相成，抗剪性能的研究，也是一个重点。梁式转换的相关研究，这篇文章《转换梁的应力规律》曾有详细介绍。
轴力式转换，包括斜柱转换，最重要的，是对轴力传递路径的分析，尤其是轴向受拉构件抗拉承载力的研究。
转换带来的第二类问题，是转换构件变形协调、施工模拟、混凝土收缩徐变等因素产生附加内力对结构的影响。
转换带来的第三类问题，是由于转换构件本身刚度较大，质量较大，在地震作用下，对结构整体以及局部产生的不利影响。
3、短跨转换
前文提及，当转换跨度较小时，可采用斜柱转换或搭接转换。从受力角度来看，相同条件下，斜柱转换比搭接转换受力更直接，材料用量更省，既如此，那搭接转换是否多此一举呢？
我们看下图这个搭接块，搭接长度为C，搭接高度为H，根据《复杂高层建筑结构设计》，搭接比例控制如下：
1）0.45≤C/h≤0.70，拉区楼盖设预应力；
2）C/h＜0.45，可不设预应力；
图12
按不设预应力的搭接比例上限0.45计算，上下柱错位倾斜角度约为24°，而如果设置斜柱，其倾斜角度一般要求不超过15°，这就是二者的差别，即搭接柱可以实现更大程度的错位。
假设斜柱需要在两层内解决，则搭接柱在一层内可以实现。无论是斜柱，还是搭接柱，如果都对建筑有一定影响，站在建筑角度考虑，他们可能倾向选择一个影响较小的方案，此时，搭接柱或许具有一定优势。
除了斜柱转换和矩形搭接柱转换，同时，也存在居于二者之间的第三种方案，即楔形柱方案。
图13
针对短跨转换，结合参考文献，以下几条经验可以借鉴：
1）斜柱对结构层受剪承载力影响较小，楔形柱次之（在转换区各层柱截面自下而上逐渐均匀增大），矩形搭接柱最大（存在突变）；
2）转换区由于斜柱、楔形柱和矩形搭接柱刚度较大，其框架分配的剪力值明显大于普通楼层，剪力墙的抗剪承载力应提高；
3）计算转换区域的构件水平力时，应将楼板设置为弹性膜，并补充楼板厚度为 0mm 的情况下的梁拉力计算和墙受力分析，才能充分考虑拉力对梁和墙的不利影响；
4）水平力最终通过梁板传递给核心筒，此时在竖向荷载作用下的核心筒墙体处于竖向受压，水平受拉双向应力状态，设计时应引起重视并采取相应加强措施。
转自：钢结构-公众号
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