轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

金人偉

摘要：在現(xiàn)代建筑工程中，由于人們使用需求的不同，所以在進(jìn)行商建住宅建設(shè)時(shí)，通常采用轉(zhuǎn)換層來滿足不同用戶的使用需求，這也是高層建筑發(fā)展的必然趨勢(shì)。本文在對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)換層的功能及主要類型分析的基礎(chǔ)上，從轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)原則入手，提出建筑結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)的建議。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；轉(zhuǎn)換層；原則；建議

前言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市建設(shè)用地越來越緊張，為了提高土地的利用價(jià)值并滿足建筑藝術(shù)造型及其不同使用功能的需求，房屋的高度不斷增加，房屋的結(jié)構(gòu)形式也越來越復(fù)雜，從框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架一剪力墻結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)到各種轉(zhuǎn)換、連體、錯(cuò)層等等，各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式不斷被應(yīng)用?？紤]到同一單體上下層建筑功能的不同要求，轉(zhuǎn)換層的使用解決了高層建筑底部大空間使用功能的要求，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)存在傳力不直接、剛度突變等問題，應(yīng)采取足夠的加強(qiáng)措施以滿足正常使用和抗震要求。

1建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)換層的主要功能及類型

1.1轉(zhuǎn)換層的主要功能

近些年來，隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速增長(zhǎng)，人們對(duì)于建筑物尤其是高層建筑的需求呈現(xiàn)出一種多元化、全面化和綜合化的趨勢(shì)，在生活中也能進(jìn)場(chǎng)見到下部為大型商場(chǎng)或者娛樂場(chǎng)所而上部為民用住宅的建筑。單從這類建筑的功能來看，其上部主要是需要有更多的墻體來進(jìn)行空間的分隔，從而滿足不同住戶對(duì)于住宅戶型的要求，下部則主要是以創(chuàng)建更大的靈活空間為主。轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)中為針對(duì)不同建筑功能的需要，在有較大的層高作保證時(shí)可以作為正常的樓層使用，同時(shí)在層高受到限制或者處于設(shè)備需要時(shí)，也可以作為設(shè)備層。

1.2轉(zhuǎn)換層的主要類型

轉(zhuǎn)換層的不同設(shè)計(jì)類型主要是由于不同的建筑功能需要而決定的，其主要類型可以分為以下幾種：

（1）箱式轉(zhuǎn)換層。箱式轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)主要是基于轉(zhuǎn)換梁截面過大，且一層樓板不能滿足平面內(nèi)樓板剛度的假定值而考慮的，為了確保假定值和實(shí)際值更相符，可以采用在轉(zhuǎn)換梁底和梁頂之間設(shè)置一層樓板，從而形成箱形梁。該轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)一般情況下適合遍布整個(gè)層面，并在建筑周邊環(huán)通，最終形成箱式轉(zhuǎn)換層。其具有約束性強(qiáng)、轉(zhuǎn)換梁剛度大且上下部傳力均勻的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還可以將其作為設(shè)備層。但是該類型的轉(zhuǎn)換層在設(shè)計(jì)過程中需要增開的設(shè)備洞相對(duì)較多，施工技術(shù)較為復(fù)雜，隨之帶來的也是較高的造價(jià)問題。

（2）梁式轉(zhuǎn)換層。梁式轉(zhuǎn)換層一般是采用底部大空間的框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系，其主要是將上部剪力墻固定在框支梁上并在框支柱的支撐作用下形成的結(jié)構(gòu)體系，在需要進(jìn)行縱橫向的轉(zhuǎn)換時(shí)，會(huì)相應(yīng)的采用雙向梁布置。該類型的轉(zhuǎn)換層具有著施工簡(jiǎn)單、傳力準(zhǔn)確的特點(diǎn)，是目前在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中較常采用的轉(zhuǎn)換形式。但是其也有一定的缺點(diǎn)，比如在進(jìn)行上下軸線錯(cuò)位布置時(shí)，需要增設(shè)的轉(zhuǎn)換梁次較多，會(huì)造成其空間受力情況較為復(fù)雜。

（3）桁架式轉(zhuǎn)換層。桁架式轉(zhuǎn)換層主要是在高層建筑結(jié)構(gòu)下部為大型商場(chǎng)、上部為中小型寫字樓或者是住宅用房，并且需要設(shè)置相應(yīng)的設(shè)備層時(shí)所常用的一種結(jié)構(gòu)形式。其上部柱墻可以通過桁架傳至下部柱墻，并且在桁架間的空間可以分設(shè)所需的管道。在進(jìn)行桁架式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，一般情況下適合采用整層布置，并且各節(jié)點(diǎn)之間應(yīng)與墻肢形心對(duì)中。該結(jié)構(gòu)類型在施工中具有較高的復(fù)雜程度，同時(shí)其在進(jìn)行軸線錯(cuò)位布置時(shí)的難度也相對(duì)較大。

（4）厚板式轉(zhuǎn)換層。在上下柱網(wǎng)錯(cuò)位較多并且不能用梁進(jìn)行承托時(shí)，就需要采用板式轉(zhuǎn)換層。其中厚板的規(guī)格以及厚度是由柱網(wǎng)尺寸以及上部結(jié)構(gòu)載荷而決定的。該結(jié)構(gòu)類型具有靈活性大、受結(jié)構(gòu)布局影響較小的優(yōu)點(diǎn)，且由于其厚板具有較大的剛度，能夠形成一個(gè)整體性較強(qiáng)的承臺(tái)，便于施工。

2建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)原則

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的轉(zhuǎn)換層主要起到承上啟下的功能作用，其設(shè)計(jì)對(duì)建筑工程具有相當(dāng)重要的經(jīng)濟(jì)意義與功能意義，對(duì)轉(zhuǎn)換層進(jìn)行科學(xué)合理設(shè)計(jì)不僅能避免建筑資源的浪費(fèi)還能杜絕一定的建筑結(jié)構(gòu)安全隱患，其在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)遵循以下設(shè)計(jì)原則：

首先，在轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡量減少結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的豎向構(gòu)件，應(yīng)盡可能的多采用直接接地的構(gòu)件，其能有效避免建筑剛度的減小，對(duì)建筑物抗震性能的提升有著重要的作用。

其次，轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)位置不能偏高，應(yīng)盡可能的靠近底層位置。主要是由于建筑框支剪力墻結(jié)構(gòu)的傳力途徑以及剛度發(fā)生變化時(shí)會(huì)直接造成轉(zhuǎn)換層成為薄弱層，很大程度上降低了建筑物的抗震性能。

再次，在進(jìn)行轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意傳力路徑的明確性，并且確保轉(zhuǎn)換層的剛度。由于轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)本身起到的是結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換作用，所以應(yīng)保持其自身的受力平衡性。

第四，要對(duì)剪力墻以及框支剪力墻的比例進(jìn)行綜合考慮，保證其橫向落地剪力墻的數(shù)目超過橫向墻的50%。

第五，為了避免立柱柱角發(fā)生變形，在進(jìn)行轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保持其上部柱子和剪力墻的對(duì)稱分布，將梁上立柱設(shè)置在轉(zhuǎn)換梁垮中，從而避免轉(zhuǎn)換梁變形作用下產(chǎn)生的支柱柱角變形加大。

3概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)布置

轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)選型與布置：轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的突出特點(diǎn)是豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)，部分豎向構(gòu)件不能落地，致使豎向荷載不能直接傳至基礎(chǔ)，較大豎向荷載均通過下部框架結(jié)構(gòu)下傳至基礎(chǔ)，由此造成下部結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力復(fù)雜，內(nèi)力較大，因此GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范、JGJ13-2010建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程對(duì)于轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換構(gòu)件設(shè)計(jì)、整體結(jié)構(gòu)控制指標(biāo)、配筋及相應(yīng)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造措施給出了明確的規(guī)定，以此確保上部剪力墻結(jié)構(gòu)與下部框架結(jié)構(gòu)的可靠連接及整體結(jié)構(gòu)的安全性。梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)相對(duì)較為經(jīng)濟(jì)，荷載傳遞明確，現(xiàn)有該類轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)竣工建成項(xiàng)目較多，設(shè)計(jì)理念及施工工藝非常成熟，不存在理論與技術(shù)實(shí)施難題，因而本項(xiàng)目選用梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)換層的存在使得主體結(jié)構(gòu)上下不同結(jié)構(gòu)類型交界處剛度突變，剛度驟變對(duì)于地震作用尤其不利，結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)應(yīng)盡量避免側(cè)向剛度的不連續(xù)，盡量使得兩種不同結(jié)構(gòu)交接位置剛度連續(xù)均勻變化。為解決抗側(cè)力構(gòu)件剛度交接位置剛度突變的問題，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中要注意如下兩點(diǎn)：（1）避免剪力墻全抬，確保一定數(shù)量的剪力墻起落地，增大底部剪力墻墻體厚度，適度加大框支框架柱的截面，以此在確保上下部剛度一定連續(xù)的程度上加大底部框架的剛度：（2）針對(duì)上部剪力墻結(jié)構(gòu)，宜適度增大墻肢間距，縮小剪力墻長(zhǎng)度、減少墻體數(shù)量等措施，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換層上下剛度達(dá)到均勻變化，平穩(wěn)過渡，避免抗側(cè)剛度劇變，上部結(jié)構(gòu)通過少量剪力墻與核心簡(jiǎn)一起承擔(dān)水平側(cè)向力。此外為確保單片剪力墻自身的穩(wěn)定性，墻體布置時(shí)宜結(jié)構(gòu)建筑功能分區(qū)，將剪力墻布置為T形、L形、C形為宜。底部框支框架在布置時(shí)也宜結(jié)構(gòu)建筑功能劃分，將可以下落的剪力墻落地，在大空間區(qū)塊布置框支柱作為豎向承載構(gòu)件。由于框支柱上部支撐轉(zhuǎn)換梁，且梁上荷載較大，框支柱相比于常規(guī)框架柱截面較大，為滿足強(qiáng)柱弱梁的概念設(shè)計(jì)，確保框支柱具有足夠的延性和變形能力，框支柱在地震作用下不首先出現(xiàn)柱鉸的破壞形態(tài)，能夠有效吸收地震力，因而，框支柱設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制其軸壓比不大于0.6，適度增加柱子的體積配箍量及配筋率，相對(duì)于普通柱前者宜增加0.02，后者不小于1.5%，且框支柱縱筋的連接應(yīng)全部采用機(jī)械連接，全高加密箍筋。除此之外，在底部框支框架強(qiáng)度及延性得到保證以外，樓蓋的剛度也不宜忽視，樓蓋將上部荷載通過墻體及柱子傳至下部框支框架，此外樓蓋還要協(xié)同轉(zhuǎn)換梁工作，為確保面內(nèi)剛度的連續(xù)有效，轉(zhuǎn)換層的樓蓋板厚通常不宜小于200mm，以確保剛度的連續(xù)及荷載有效傳遞。

4建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)的建議

4.1梁式轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)

作為在建筑設(shè)計(jì)中的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最為常用的一種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式，其在高層建筑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中占到了大約80%以上的比例，并且具有受力清晰、構(gòu)建簡(jiǎn)單、方便施工的優(yōu)點(diǎn)。但是在該類型的轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意上下結(jié)構(gòu)布置的優(yōu)化協(xié)調(diào)，從而確保整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。比如在進(jìn)行相對(duì)高度較高的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，剪力墻的內(nèi)力和剛度以及傳力途徑會(huì)發(fā)生一定程度的改變，會(huì)使之成為較為薄弱的部分層，一定程度上對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能產(chǎn)生了影響。所以在施工設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡量減少轉(zhuǎn)換的構(gòu)件，多采用非轉(zhuǎn)換的鋼筋混凝土形式，避免轉(zhuǎn)換構(gòu)件的過度集中的情況出現(xiàn)，從而做到豎向剛度的均勻合理，以保證轉(zhuǎn)換層施工和整體建筑的施工質(zhì)量。

4.2桁架式轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)

桁架式轉(zhuǎn)換層主要用于建筑不同功能區(qū)域上下部的連接，是由多榀鋼筋混凝土桁架組合而成的一種承重結(jié)構(gòu)。一般情況下桁架的下桿的截面面積較小并且高度較高，所以這一結(jié)構(gòu)形式的施工難度較大且工序較為復(fù)雜。在具體施工設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)換層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析，并對(duì)其受力情況進(jìn)行分析計(jì)算，從而保證設(shè)計(jì)符合建筑質(zhì)量要求。

4.3厚板式轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)

厚板式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)雖然具有布置靈活、不需要正對(duì)下層結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，但是其在施工設(shè)計(jì)過程中多需要的材料耗費(fèi)較大，所以如果在采用厚板式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)注意對(duì)其受力角度的分析，適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)其配筋量，同時(shí)也可以從抗剪力和抗沖切力的角度出發(fā)，減輕其受力程度，對(duì)其內(nèi)力以及配筋量進(jìn)行合理準(zhǔn)確的計(jì)算，并從其經(jīng)濟(jì)效益出發(fā)對(duì)其進(jìn)行綜合考慮。

5結(jié)語

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)問題一直以來都是建筑行業(yè)最為關(guān)心和一直探索的重要問題，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)實(shí)際需要選擇出符合建筑物實(shí)際需要的結(jié)構(gòu)模式，并在安全、經(jīng)濟(jì)、適用等指標(biāo)基礎(chǔ)山，努力提升轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)的強(qiáng)度、抗震能力以及剛度，從而對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使之完美的與建筑結(jié)構(gòu)和建筑實(shí)際功能需要相結(jié)合。