帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析概述

趙海杰

(南京城鎮(zhèn)建筑設(shè)計(jì)咨詢有限公司，江蘇 南京 210000)

帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析概述

趙海杰

(南京城鎮(zhèn)建筑設(shè)計(jì)咨詢有限公司，江蘇 南京 210000)

本文主要是介紹了了結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層常見類型及受力機(jī)理、轉(zhuǎn)換層在高層建筑中的布置及設(shè)計(jì)原則以及帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能，并總結(jié)了高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題，最后介紹了新型轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，以解決轉(zhuǎn)換層建筑結(jié)構(gòu)的不同問題。

高層建筑 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層 抗震性能

1. 概述

高層建筑結(jié)構(gòu)的下部樓層受力比上部樓層受力較大，所以結(jié)構(gòu)布置通常是下部剛度大、墻體多，但是這樣的布局和建筑功能對空間的要求不一致，所以為了能夠保證建筑功能的使用，要在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的樓層上設(shè)置水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件，這就是轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。

2. 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層常見類型及受力機(jī)理分析

結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的類型主要有以下幾種：

（1）梁式轉(zhuǎn)換層，也就是上部剪力墻在框支梁上，框支梁由框支柱來支撐的結(jié)構(gòu)受力體系。其優(yōu)點(diǎn)是傳力途徑明確、傳力直接、構(gòu)造簡單、設(shè)計(jì)計(jì)算簡單等，在實(shí)際工程中運(yùn)用最為廣泛，常用于底部大空間的框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系。

（2）箱式轉(zhuǎn)換層，當(dāng)一層樓板的剛度不符合理論假設(shè)時(shí)，在轉(zhuǎn)換梁梁頂和梁底同時(shí)設(shè)置一層樓板，從而形成一個(gè)箱形梁，即為箱式轉(zhuǎn)換層。其優(yōu)點(diǎn)是約束強(qiáng)、剛度大、上下部傳力均勻等，但是其施工復(fù)雜并且造價(jià)高。

梁式轉(zhuǎn)換層的受力機(jī)理分析：梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的是以墻—梁—柱的形式傳力，轉(zhuǎn)換大梁的受力主要來自于上部剪力墻剛度、剪力墻與轉(zhuǎn)換大梁的相對剛度、轉(zhuǎn)換梁和下部支撐結(jié)構(gòu)的相對剛度。經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，只要轉(zhuǎn)換大梁上部墻體長度足夠，轉(zhuǎn)換大梁的彎矩相較于不考慮上部墻體作用的情況下小，同樣地轉(zhuǎn)換大梁也會(huì)出現(xiàn)一定范圍的受拉區(qū)。主要原因有兩個(gè)，一是轉(zhuǎn)換大梁位于結(jié)構(gòu)整的受拉區(qū)，二是轉(zhuǎn)換梁受到上部墻體豎向力作用時(shí)形成了的傳力方式。以下是轉(zhuǎn)換大梁受力機(jī)理示意圖。

3. 轉(zhuǎn)換層在高層建筑中的布置及設(shè)計(jì)原則

3.1 轉(zhuǎn)換層在高層建筑中的布置原則

轉(zhuǎn)換層的布置較為靈活，只要根據(jù)建筑功能和結(jié)構(gòu)傳力的需求，沿著高層建筑高度的方向靈活布置，并且自身的空間也可以成為使用樓層或是技術(shù)設(shè)備層，前提是轉(zhuǎn)換層具有足夠的剛度。如果建筑物較高柔，整體剛度不夠，可以將轉(zhuǎn)換層與加強(qiáng)層或是設(shè)備層綜合考慮。如果建筑物大底層上部為多塔的情況，塔樓的轉(zhuǎn)換層要設(shè)置在裙樓的屋面層。

3.2 帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

轉(zhuǎn)換層不利于結(jié)構(gòu)抗震，所以轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要遵循一定的原則：

（1）在設(shè)計(jì)中考慮上下層剛度比小于或等于2，最好為1，以保證結(jié)構(gòu)豎向剛度的變化不大。

（2）盡量減少需結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的豎向構(gòu)件。

（3）保證轉(zhuǎn)換層具有一定的剛度。

（4）將框支剪力墻與落地剪力墻的比例控制在一定的范圍內(nèi)。

（5）轉(zhuǎn)換層以上的剪力墻和柱子要對稱布置，梁上立柱設(shè)置在轉(zhuǎn)換梁跨中。

（6）轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)在高層建筑豎向位置要盡可能地低，如果設(shè)置在高處不利于抗震設(shè)計(jì)。如果必須要設(shè)置在高處，要采用高位轉(zhuǎn)移，并控制好轉(zhuǎn)換層下部框支結(jié)構(gòu)的等效剛度。

（7）盡可能地強(qiáng)化轉(zhuǎn)換層下部主體結(jié)構(gòu)剛度，弱化轉(zhuǎn)換層上部主體結(jié)構(gòu)剛度。另外還要注意兩個(gè)問題，一是注重抗震第一道防線的筒體的安全設(shè)計(jì)，二是在增設(shè)剪力墻時(shí)要注意整體剛度是否均勻分布。

（8）全面準(zhǔn)確地計(jì)算帶轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。將轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)看作是整體結(jié)構(gòu)的一部分進(jìn)行三維空間整體結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，然后用有限元方法對局部進(jìn)行計(jì)算。轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)要取至少兩層結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部計(jì)算模型。整體結(jié)構(gòu)計(jì)算至少要取兩個(gè)力學(xué)模型的程序進(jìn)行抗震計(jì)算，還要進(jìn)行行彈性時(shí)程分析計(jì)算。

4. 帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能

帶轉(zhuǎn)換層的剪力墻結(jié)構(gòu)是目前工程的主要結(jié)構(gòu)形式，并且轉(zhuǎn)換層位置日益提高。對于帶轉(zhuǎn)換層的剪力墻體和筒體這兩種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，影響其抗震性能的因素主要有轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)與其上層結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比、轉(zhuǎn)換層高度、轉(zhuǎn)換層上部與下部結(jié)構(gòu)等效剛度比。

對帶轉(zhuǎn)換層筒體結(jié)構(gòu)的影響因素主要有轉(zhuǎn)換層上部外筒的剛度、轉(zhuǎn)換層高度等，在設(shè)計(jì)的時(shí)候要注意控制轉(zhuǎn)換層上部與下部結(jié)構(gòu)等效剛度比，盡可能地使值達(dá)到1，但是不能大于1.3。

5、高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題

（1）確保大空間層具有一定的剛度，并且將轉(zhuǎn)換層上下結(jié)構(gòu)側(cè)向的剛度比控制在一定的范圍內(nèi)，等效側(cè)向剛度控制在1.0—1.3之間。

（2）采用厚度為200mm的現(xiàn)澆混凝土樓板，并且轉(zhuǎn)換層下一層樓板選用厚度為150mm的樓板，結(jié)構(gòu)布置要對稱，加強(qiáng)薄弱部位樓板的厚度和配筋。

（3）結(jié)構(gòu)層間的位移角要控制在標(biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi)，基底剪力和重力荷載要滿足抗震需求。

（4）提高框支剪力墻轉(zhuǎn)換層以下豎向構(gòu)件的配筋率。

6、新型轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)

6.1 搭接柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

6.1.1 設(shè)計(jì)原則

將轉(zhuǎn)換柱作為轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是混凝土用量少、自重小，建筑空間可以得到充分利用，上下層剛度比較小。需要注意的是搭接柱上方樓蓋是薄弱部位，所以要加強(qiáng)其剛度。

6.1.2 搭接柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的工作原理

搭接塊相連樓蓋梁板的承載力和軸向剛度控制是搭接柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)安全性和可靠性的保障。樓蓋梁板的承載力和剛度足夠之后，次內(nèi)力和搭接柱變形就會(huì)得到控制，所以搭接塊相連樓蓋梁板的承載力和軸向剛度控制是關(guān)鍵。

6.1.3 貫通落地筒體-框架結(jié)構(gòu)工作特性

框架柱搭接轉(zhuǎn)換的根本是弱化框架抗側(cè)作用，以加強(qiáng)核心筒體的抗側(cè)作用，所以核心筒體作為最主要的抗側(cè)力構(gòu)件，要保證其承載力、延性和截面尺寸。當(dāng)筒體從上到下緩凝土強(qiáng)度等級發(fā)生變化，并且截面尺寸及配時(shí)，變化會(huì)延伸到搭接柱區(qū)段上一層，并且要減弱搭接柱轉(zhuǎn)換引起的局部剛度退化的影響，確保整體結(jié)構(gòu)的抗震承載能力沒有發(fā)生較大的變化。

6.1.4 搭接柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

主要可以采用SATWE、PMSAP等軟件進(jìn)行計(jì)算分析。

6.2 其他新型轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

6.2.1 斜撐轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性

其優(yōu)點(diǎn)有傳力路徑明確、受理方式合理、剛度比變化幅度不大等，所以在水平地震作用下，可以減小結(jié)構(gòu)層間剪力和構(gòu)件內(nèi)力的變化幅度。

6.2.2 寬扁梁轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性

其優(yōu)點(diǎn)有有利于建筑設(shè)備的使用、降低轉(zhuǎn)換層高度、對建筑功能的使用影響不大、轉(zhuǎn)換梁的受力作用較大等。可以根據(jù)建筑功能的需要，選擇合適的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層不僅可以降低造價(jià)，還可以更好地表現(xiàn)出建筑的美。

7、結(jié)論

（1）因?yàn)楝F(xiàn)代建筑的功能多樣，所以在轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要根據(jù)現(xiàn)場條件和工程實(shí)際做好計(jì)算和分析，綜合考慮各種因素。

（2）轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的高層建筑受理復(fù)雜，所以要采取科學(xué)有效的結(jié)構(gòu)，特別是在地震帶，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)可以解決復(fù)雜平面和體型轉(zhuǎn)換。

（3）轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的高層建筑要經(jīng)過計(jì)算之后，嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

[1]唐興榮.高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2002.

[2]徐培福.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.

[3]包世華.新編高層建筑結(jié)構(gòu)[M].第2版.北京:中國水利水電出版社,2005.

[4]趙西安.現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上冊[M].北京:科學(xué)出版社,2000.

[5]黃瑛.帶轉(zhuǎn)換層高層結(jié)構(gòu)綜合樓設(shè)計(jì)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì), 2005.

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1007-6344（2015）11-0121-01