帶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計初探

皇甫濤

（中交鐵道設(shè)計研究總院有限公司 北京 100088）

引言

現(xiàn)階段，我國很多高層建筑均采用了帶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層設(shè)計，有利于提高建筑物的功能和性能，發(fā)揮其多元價值。但在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，一些設(shè)計師受專業(yè)技術(shù)水平、業(yè)主要求等因素的影響，難以保障設(shè)計質(zhì)量，存在嚴重的安全隱患。因此，需要掌握結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則和要求，采取針對性的管理措施，以保障設(shè)計質(zhì)量，避免出現(xiàn)安全隱患等問題。

1 淺析結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的概況及設(shè)計原則

1.1 概況

通常情況下，當高層建筑的上下兩部分存在使用功能差異時，往往會采用不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計方式，以滿足各自的需求。在這種情況下，需要對該樓層進行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，確保建筑物整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因此，這個樓層就是結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。在探究結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的功能時，可根據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)方式進行分析，大致可分為以下三類：①轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)類型。這種設(shè)計方式一般應(yīng)用在框架剪力墻結(jié)構(gòu)中，將上下部結(jié)構(gòu)進行轉(zhuǎn)換，有利于擴大內(nèi)部空間。②柱網(wǎng)、軸線轉(zhuǎn)換。該類設(shè)計方式并不會改變建筑的上下結(jié)構(gòu)，而是增加了下層的柱距，使其形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有利于擴大下層結(jié)構(gòu)的入口空間。③結(jié)構(gòu)形式、軸線規(guī)劃同時轉(zhuǎn)換。當對上部剪力墻結(jié)構(gòu)進行轉(zhuǎn)換時，需要同時改變下層柱距，以形成結(jié)構(gòu)差異，促使上下樓層存在不對稱的現(xiàn)象，從而滿足不同結(jié)構(gòu)的需求[1]。

1.2 設(shè)計原則

目前，我國結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層主要有以下幾種類型，如箱型轉(zhuǎn)換層、梁式轉(zhuǎn)換層、桁架轉(zhuǎn)換層、板式轉(zhuǎn)換層等。設(shè)計師應(yīng)根據(jù)實際工程需要，采用不同的結(jié)構(gòu)類型，以保障高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量。但還要遵循一定的原則：①做好數(shù)據(jù)的收集與計算工作，保障結(jié)果的精準性。②做好建模工作，將這些數(shù)據(jù)上傳至計算機系統(tǒng)中，并按照一定的比例進行輸出，確保建模設(shè)計效果，便于分析問題。③當對整體結(jié)構(gòu)計算時，至少采用兩種計算模型，合理分析高層建筑結(jié)構(gòu)的彈塑性、抗震能力、載荷能力等，確保結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層設(shè)計質(zhì)量。

2 探究帶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 工程實例

以內(nèi)蒙古某住宅工程為例，該工程采用框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系。地下2層，地上24層，轉(zhuǎn)換層位于地上3層。其中，1～3層為商業(yè)，層高分別為4.5m、3.9m、4.8m；4～24層為住宅，層高均為3m；該項目建筑高度約為76m，每個單體建筑的建筑面積約為1.6萬m2。

地下2～3層結(jié)構(gòu)按照框架剪力墻進行布置，為滿足整體建筑的抗震性能，核心筒及四周部分剪力墻落地，中間部分為滿足建筑商業(yè)需求，采用框支柱、框支梁等轉(zhuǎn)換構(gòu)件對上部結(jié)構(gòu)進行轉(zhuǎn)換。

2.2 方案設(shè)計

在進行設(shè)計時，需要考慮結(jié)構(gòu)的類型，根據(jù)我國現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層理念可知，主要包括箱型轉(zhuǎn)換層、梁式轉(zhuǎn)換層、桁架轉(zhuǎn)換層、板式轉(zhuǎn)換層等幾種，都可以擴大下層結(jié)構(gòu)的空間，以滿足商業(yè)空間的需求。設(shè)計師在綜合考慮傳力、成本、效益、施工等方面的需求后，決定采用梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。主要是因為該結(jié)構(gòu)類型有很多的優(yōu)勢性特點，如施工便利、受力明確、施工成本低等。同時，這種設(shè)計方式可以擴大結(jié)構(gòu)內(nèi)部空間，能滿足管線的布置需求，具有較高的應(yīng)用價值。

在設(shè)計轉(zhuǎn)換梁截面時需要注意一些問題，首先應(yīng)對轉(zhuǎn)換梁的荷載能力、受力情況等進行分析，以采用不同的截面形式。當采用托柱型設(shè)計時，要考慮截面尺寸，并進行計算，從而優(yōu)化配筋率。若采用托墻型設(shè)計時，其受力結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不僅要考慮結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的受力情況，還要對上部墻體的分布、荷載情況進行綜合考慮，確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。同時，在對轉(zhuǎn)換層構(gòu)件進行設(shè)計時，需要考慮構(gòu)件的豎向剛度情況，避免出現(xiàn)傳力突變的問題。一旦發(fā)生地震時，若存在傳力突變，會導(dǎo)致構(gòu)件的薄弱區(qū)域產(chǎn)生一定的應(yīng)力，影響了構(gòu)件的質(zhì)量和穩(wěn)定性。因此，應(yīng)根據(jù)該地區(qū)的地震災(zāi)害情況進行綜合分析，按照Ⅶ級防震烈度的要求來提高構(gòu)件的強度，確保水平力正常傳遞，保障高層建筑的質(zhì)量和安全性[2]。

在進行轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計之前，首先需要熟悉建筑的標準層（住宅層）的功能布局，盡量將剪力墻布置在建筑的外側(cè)或核心筒；而室內(nèi)部分盡量減少短支剪力墻的布置，采用長度較為適宜的中等尺寸的剪力墻進行布置。這種布置方式有以下幾種好處：

①外側(cè)剪力墻尤其是抗側(cè)力較弱一側(cè)的剪力墻布置位于建筑物外側(cè)能有效減少建筑的層間位移比，提升建筑的抗扭轉(zhuǎn)性能；②采用較少數(shù)量的室內(nèi)剪力墻能做到傳力簡單、明確，能夠?qū)⒇Q向荷載簡單有效的傳遞到框支梁或框支柱上，并能避免結(jié)構(gòu)的二次轉(zhuǎn)換；③室內(nèi)部分布置數(shù)量較少的中等尺寸的剪力墻能有效減少室內(nèi)剪力墻的軸壓比，并能提升建筑物的整體抗震、抗風性能；④合理布置剪力墻，協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換層上下部結(jié)構(gòu)之間的側(cè)向剛度比。

在進行框支層平面布置方案設(shè)計時，需要考慮框支柱布局對上部剪力墻傳力的影響，盡量將框支柱布置在上部剪力墻軸力傳力較大位置。并考慮框支梁與框支柱的豎向剛度不同，避免因轉(zhuǎn)換構(gòu)件間豎向剛度差異影響上部剪力墻的安全性和穩(wěn)定性。

2.3 整體結(jié)構(gòu)計算

本工程采用PKPMV2.2結(jié)構(gòu)計算軟件。轉(zhuǎn)換層樓板采用彈性樓板假定，并將結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的梁進行模擬轉(zhuǎn)換，使其成為獨立的桿單元構(gòu)件，若在對轉(zhuǎn)換梁進行計算時，需要將其納入到整體建筑結(jié)構(gòu)計算中，并將上層樓板作為參考，避免結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層出現(xiàn)豎向剛度變化的問題。因此，首先要對樓板的數(shù)據(jù)信息進行分析，上部水平剪力在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的作用下，會逐步傳遞到下層結(jié)構(gòu)中來，會加大樓板的荷載壓力。因此，需要對樓板進行加厚處理，有利于平均分配上部結(jié)構(gòu)傳遞的水平剪力。另外，還需要利用軟件來計算上下部結(jié)構(gòu)的豎向剛度，促使樓板可以均勻受力，防止出現(xiàn)薄弱層等問題，確保計算的精準性[3]。

經(jīng)過計算，本工程主要技術(shù)指標如下：①樓層豎向構(gòu)件最大水平位移與該樓層位移平均值的比值1.22；②結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1的比值0.75；③樓層側(cè)向剛度與相鄰上層的比值0.98；④樓層側(cè)向剛度與相鄰上三層平均值的比值1.23；⑤抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的層間受剪承載力與相鄰上一層的比值；⑥短肢剪力墻承受的傾覆力矩與結(jié)構(gòu)底部（或樓層）總地震傾覆力矩的比值0.22。

計算結(jié)論：整體建筑的各項安全性指標都能完全滿足規(guī)范要求，整體結(jié)構(gòu)安全可靠。

3 結(jié)束語

在市場經(jīng)濟的發(fā)展下，人們的生活水平得到了快速提高，對房屋也有了更高的需求。尤其是對于帶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的高層建筑來說，應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)的多元需求，發(fā)揮其綜合效益價值。對此，本文以內(nèi)蒙古某住宅工程為例，對工程的特點進行了分析，應(yīng)從方案設(shè)計、整體結(jié)構(gòu)計算等方面進行分析與設(shè)計，以保障結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層設(shè)計質(zhì)量，從而推動我國建筑事業(yè)快速發(fā)展。

[1]解雪松.論述帶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].建材與裝飾，2017（45）：87～88.

[2]董漢鋼，溫永堅，唐道偉.解析帶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].低碳世界，2017（28）：174～175.

[3]王軍星，李紅瑞.對高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計要點問題的再探討[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2014（22）：110.