淺析高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

米日阿依·熱合曼

摘要：在我國(guó)城市化進(jìn)程不斷加快的同時(shí)，建筑行業(yè)也得到了快速的發(fā)展，不少的新型施工技術(shù)將用于建筑施工中。轉(zhuǎn)換層在建筑功能上主要變現(xiàn)為可以提供較大的室內(nèi)空間；為建筑物提供了大的入口；對(duì)高層建筑中不同功能、不同用途的樓層進(jìn)行分割。所以，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)就相對(duì)較為復(fù)雜。本文主要對(duì)高層建筑的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析概述。

關(guān)鍵詞：高層建筑；轉(zhuǎn)換層；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

前言

現(xiàn)代高層建筑正向體型復(fù)雜、功能多樣、造型新穎的方向發(fā)展。同一棟高層建筑。沿高度方向功能發(fā)生變化，使得不同用途的樓層采用不同的結(jié)構(gòu)形式才能滿足建筑的功能要求，這就涉及到結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)，對(duì)其不同功能的樓層連接處進(jìn)行處理，以確保整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量安全。然而高層建筑的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)是一項(xiàng)較為復(fù)雜的工程。根據(jù)力學(xué)來(lái)分析，高層建筑轉(zhuǎn)換層的上下層內(nèi)力較為集中，且地震力集中，設(shè)計(jì)時(shí)就相對(duì)困難。在設(shè)計(jì)施工前，必須要對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的分析，確定方案無(wú)誤便可進(jìn)行施工，這也是復(fù)雜高層建筑設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題。

一、轉(zhuǎn)換層定義及設(shè)計(jì)的原則

1.轉(zhuǎn)換層的定義

一般情況下，高層建筑下部結(jié)構(gòu)受力較大，而上部的結(jié)構(gòu)受力相對(duì)偏小，為確保建筑整體的安全性能，必須保障高層建筑的下部結(jié)構(gòu)充分牢靠。所以，往往其下部的結(jié)構(gòu)布置要求剛度大、柱網(wǎng)密、墻體多，越往上層建造，所需柱、墻的數(shù)量均相應(yīng)減少。使得整個(gè)建筑物出現(xiàn)上部活動(dòng)空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于下部，這樣結(jié)構(gòu)的正常布置與建筑功能對(duì)空間的要求正好相反。因此為滿足建筑功能的需求，必須突破常規(guī)設(shè)計(jì)，在發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的樓層設(shè)置合理的水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件，進(jìn)而在確保建筑安全的基礎(chǔ)上使整個(gè)建筑滿足使用功能。

2.轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)的原則

在建筑物中設(shè)置轉(zhuǎn)換層將造成建筑的豎向剛度發(fā)生突變，大大的降低建筑結(jié)構(gòu)抗震能力，為有效的防止該情況的發(fā)生，必須遵循以下設(shè)計(jì)原則：在設(shè)置轉(zhuǎn)換層過(guò)程中，盡可能減少轉(zhuǎn)換構(gòu)件，直接落地式的豎向構(gòu)件越多，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的豎向構(gòu)件就會(huì)越少，能夠減小剛度突變，有利于結(jié)構(gòu)的抗震能力；轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)置在高層建筑豎向的較低位置，遵循宜低不宜高的原則；對(duì)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，保證所選換層結(jié)構(gòu)的型式有確切的傳力路徑，以利于結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計(jì)，并且確保施工的質(zhì)量；轉(zhuǎn)換的剛度不宜過(guò)大，在兼顧建筑物安全及經(jīng)濟(jì)的條件下，堅(jiān)持宜小不宜大的原則。

二、高層建筑轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)

1.粱式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

粱式轉(zhuǎn)換是高層建筑中實(shí)現(xiàn)垂直轉(zhuǎn)換最常用的結(jié)構(gòu)形式，主要是由上部剪力墻經(jīng)轉(zhuǎn)換梁傳力給下部柱，完成整個(gè)建筑物的使用功能。該類轉(zhuǎn)換方式傳力途徑直接、明確，構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工較方便有，利于工程的計(jì)算、分析，還大大的降低了成本，因此，得到了建筑行業(yè)的廣大推廣運(yùn)用。

2.箱型轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

在轉(zhuǎn)換梁的截面較大時(shí)，可以在轉(zhuǎn)換梁的梁頂與梁底同時(shí)設(shè)置一層樓板，遍布全層，使得整個(gè)樓層都構(gòu)成“箱子”的形式，由此被稱之為“箱型轉(zhuǎn)換層”。箱型轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)也是高層建筑設(shè)計(jì)中比較常用地一種結(jié)構(gòu)形式。優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換梁的約束強(qiáng)，剛度大，整體效果好，上下部受力較均勻。缺點(diǎn)是它直接占用了整個(gè)樓層的面積，使得這個(gè)樓層不能再有其他用途，只能當(dāng)做設(shè)備層使用。自重大，造價(jià)高，施工復(fù)雜。

3.板式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

板式轉(zhuǎn)換層主要是應(yīng)用在轉(zhuǎn)換層上下柱網(wǎng)錯(cuò)位較多、布置沒(méi)有次序的情況下，需要將轉(zhuǎn)換層設(shè)置厚板，通過(guò)厚板來(lái)傳遞豎向荷載和水平荷載下力的傳遞。優(yōu)點(diǎn)是：上下層豎向構(gòu)件可靈活布置，無(wú)需上下對(duì)齊，因此滿足了建筑的功能要求。也避免了豎向構(gòu)件與轉(zhuǎn)換層相交處復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造。缺點(diǎn)是傳力方式不直接、受力復(fù)雜、抗震性能差。自重較大，所消耗的材料較多，施工復(fù)雜。

4.桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

桁架主要包括空腹桁架、實(shí)腹桁架。優(yōu)點(diǎn)是：與梁式轉(zhuǎn)換層相比較，該轉(zhuǎn)換層質(zhì)量和剛度都相對(duì)較小，分布均勻，故結(jié)構(gòu)整體剛度的質(zhì)量和剛度突變程度要小，使結(jié)構(gòu)有較好的抗震性能。缺點(diǎn)是：桁架各桿件均為小偏心受力，延性較差。節(jié)點(diǎn)受力復(fù)雜，延性較差，因此轉(zhuǎn)換桁架的延性和耗能能力較差。由于節(jié)點(diǎn)受力錯(cuò)綜復(fù)雜，發(fā)生剪切脆性破壞的情況較多，引起計(jì)算配筋多，給施工帶來(lái)一定的難度。因此，其應(yīng)用受到一定的限制。

5.斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

當(dāng)上下層軸線不對(duì)齊，柱子有錯(cuò)位時(shí)可以用斜柱將上層柱的荷載直接傳給下柱。優(yōu)點(diǎn)是：豎向荷載傳力途經(jīng)直接、明確，受力合理，將上部荷載直接傳給下部承重構(gòu)件，而不需要先傳給梁，梁再傳給下部柱因此減輕了梁所受的剪力負(fù)擔(dān)，使梁的減壓比大幅減小。轉(zhuǎn)換層上、下樓層剛度比變化幅度小，所以在水平地震力作用下，可以避免結(jié)構(gòu)層間剪力和構(gòu)件內(nèi)力發(fā)生突變，有利于結(jié)構(gòu)抗震。自重輕，設(shè)計(jì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工方便?？珊侠砝棉D(zhuǎn)換層下建筑空間。雖然斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形式有很多優(yōu)點(diǎn)，但是因?yàn)樗夹g(shù)性要求較高，要求結(jié)構(gòu)工程師和建筑師緊密配合，進(jìn)行布局協(xié)調(diào)。節(jié)點(diǎn)處理較為復(fù)雜。

三、轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.轉(zhuǎn)換層下部主體結(jié)構(gòu)的剛度分布

豎向剛度的突變是設(shè)計(jì)過(guò)程中最復(fù)雜并且無(wú)法避免的問(wèn)題。在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，為了保證轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)上、下層主體結(jié)構(gòu)的總抗剪切剛度達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，一般都是采取提高下部主體結(jié)構(gòu)地豎向構(gòu)件混凝土的強(qiáng)度等級(jí)，加大了其截面尺寸，或增設(shè)剪力墻地方法。但是需要重要注意：

（1）增大筒體的截面尺寸將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的地震總反應(yīng)增大，在整個(gè)下部結(jié)構(gòu)的抗側(cè)總剛度中筒體所占比重會(huì)變得更大，筒體所承受地震荷載也將出現(xiàn)級(jí)數(shù)增大趨勢(shì)。因此，筒體作為抗震第一道防線，其安全性的設(shè)計(jì)應(yīng)得到更加充分的重視；

（2）通過(guò)剪力墻的增設(shè)提高抗側(cè)剛度時(shí)，須注意整體的剛度分布要均勻，盡量確保質(zhì)量中心與剛度中心重合，避免由兩者偏心導(dǎo)致建筑物的整體扭轉(zhuǎn)。

2.合理布置剪力墻對(duì)上、下剛度傳遞的影響

為使上、下兩種結(jié)構(gòu)形式的內(nèi)力能夠準(zhǔn)確的傳遞，首先須盡量避免轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)剛度的突變，可以從兩個(gè)方面解決該問(wèn)題：

（1）減少上部的剛度，即盡量減少上部住宅內(nèi)所設(shè)置的剪力墻，且在滿足軸壓比要求的前提條件下盡量縮短墻肢；

（2）增大下部的剛度，在建筑的使用功能允許條件下，大空間層適當(dāng)部位可以設(shè)置適量的落地剪力墻，同時(shí)須注意其布局的對(duì)稱及均勻。

3.合理選擇轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)剛度

轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，存在轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)剛度的合理值問(wèn)題。若轉(zhuǎn)換層的剛度過(guò)大，一方面，會(huì)導(dǎo)致地震的反應(yīng)及結(jié)構(gòu)的豎向剛度突然增大，使得轉(zhuǎn)換層上、下層處于更不利的受力狀態(tài)；另一方面，材料的用量將增加，降低結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性的合理程度。若轉(zhuǎn)換層的剛度過(guò)小，上方框支部分的豎向構(gòu)件和其它豎向構(gòu)件間可能會(huì)出現(xiàn)過(guò)大的沉降差，使得在上部的結(jié)構(gòu)中與該部分豎向構(gòu)件相連的水平構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生明顯的次應(yīng)力，造成其配筋的增加。這一問(wèn)題在正交的主次轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)換次梁中表現(xiàn)尤為突出，此時(shí)，不僅轉(zhuǎn)換次梁的截面尺寸要慎重選用，還須確保轉(zhuǎn)換主梁有足夠的剛度，從而減小因轉(zhuǎn)換主梁撓度引起的轉(zhuǎn)換次梁支座沉降，進(jìn)而減小因此導(dǎo)致的上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生的次應(yīng)力。

四、結(jié)束語(yǔ)

高層建筑的轉(zhuǎn)換層是建筑結(jié)構(gòu)中的重要部位，因?yàn)槠滢D(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、工程量較大，因此設(shè)計(jì)人員必須要對(duì)其建筑物的各自結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行充分的考慮，選擇其結(jié)構(gòu)型式必須配合建筑方案，然后做出合理的設(shè)計(jì)規(guī)劃，進(jìn)而保證高層建筑轉(zhuǎn)換層的質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]張維斌.鋼筋混凝土帶轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)釋疑及工程實(shí)例[M].中國(guó)建筑工業(yè)出版社.

[2]李多龍.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本流程分析[J].江西建材，2013（6）.

[3]黃燕松.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建筑安全性問(wèn)題的探析[J].城市建筑，2013（22）.

[4]建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范 GB 50011-2010.

[5]高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程JGJ 3-2010.