建筑轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

裴先宇 安徽安德建筑設(shè)計(jì)有限公司

在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了通過(guò)避免結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度的突然變化而形成薄弱的層，通常，具有規(guī)則且均勻的豎直布置并且抵抗豎直側(cè)向力的構(gòu)件是堅(jiān)固的。但是，在工程實(shí)踐中，由于某些建筑物功能的特殊要求，例如當(dāng)建筑物的第一層需要較大空間時(shí)，不可能直接連接框架柱或建筑物的剪力墻的一部分。因此，有必要進(jìn)行活動(dòng)的板的設(shè)計(jì)，根據(jù)上部結(jié)構(gòu)件的不同，可將轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)分為支撐墻轉(zhuǎn)換和支撐柱轉(zhuǎn)換，并可根據(jù)不同的類型將其轉(zhuǎn)換為各種轉(zhuǎn)換類型，例如梁式，平板式，桁架式等。其中，以轉(zhuǎn)換光束為主要轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)成分的光束型轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)是最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定的特點(diǎn)。

具有過(guò)渡層的高層建筑的設(shè)計(jì)屬于復(fù)雜高層建筑的類別。由于垂直組件（例如墻和柱）的連續(xù)性受阻，因此轉(zhuǎn)換層的作用力更加復(fù)雜，并且很容易形成抵抗側(cè)向力的弱點(diǎn)。應(yīng)特別注意結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。變形構(gòu)件的受力特性可增強(qiáng)建筑物的整體結(jié)構(gòu)。如有必要，應(yīng)對(duì)力的復(fù)雜部分進(jìn)行額外的應(yīng)力計(jì)算和分析。

一、轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)

（一）水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件

梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)以轉(zhuǎn)換梁式為主要水平轉(zhuǎn)換元件，直接承受轉(zhuǎn)換框柱或上剪力墻傳遞的垂直載荷，接收情況更為復(fù)雜。在上部結(jié)構(gòu)的載荷下，轉(zhuǎn)換梁有較大的剪切力與彎矩。支柱轉(zhuǎn)換梁對(duì)支柱部分和轉(zhuǎn)換梁本身的側(cè)孔或上壁施加較大的集中載荷，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換非常容易造成梁中的應(yīng)力集中。對(duì)于支柱轉(zhuǎn)換梁，由于上下垂直載荷的偏心作用，轉(zhuǎn)換梁通常承受一定的扭轉(zhuǎn)作用，因此需要對(duì)轉(zhuǎn)換梁的扭轉(zhuǎn)承載力進(jìn)行計(jì)算分析和加強(qiáng)措施。對(duì)于框架支撐梁，通過(guò)彎矩和軸向力的共同作用很容易形成偏心壓縮，梁的截面被拉伸到更大的面積，整個(gè)截面也被拉伸。

（二）轉(zhuǎn)換層位置對(duì)結(jié)構(gòu)整體受力特性影響

變換層由水平變換和下部構(gòu)建組成。由于豎直構(gòu)件的布局的變化，轉(zhuǎn)換上層和下層在側(cè)向剛度上有很大的差異，從而導(dǎo)致了構(gòu)件內(nèi)力的急劇變化和變形。因此，轉(zhuǎn)換層是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。轉(zhuǎn)換層的位置對(duì)結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)向力有很大影響，在分析和計(jì)算結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度時(shí)，應(yīng)注意選擇上部和下部計(jì)算模型的高度，傳輸層的一部分。通常，位置過(guò)渡越高，對(duì)于地震結(jié)構(gòu)，特別是對(duì)于從地板到天花板的框架支撐的部分剪力墻，不利的情況就越大。在地震作用下，可能會(huì)損壞高位過(guò)渡處的上壁并產(chǎn)生低位剪力墻的裂痕，因此應(yīng)限值轉(zhuǎn)換層的位置不應(yīng)太高，并且框架的抗震結(jié)構(gòu)措施柱和剪力墻的樓板加固應(yīng)作相應(yīng)的改進(jìn)。

（三）豎向轉(zhuǎn)換構(gòu)件

豎向轉(zhuǎn)換構(gòu)件通常是指支撐轉(zhuǎn)換梁的垂直構(gòu)件，該轉(zhuǎn)換梁是轉(zhuǎn)換柱。轉(zhuǎn)換柱的受力形式與普通框架柱幾乎相同，但受力大，破壞效果嚴(yán)重，是輸送層結(jié)構(gòu)中必須加強(qiáng)的重要受力構(gòu)件。轉(zhuǎn)換柱的抗震承載力主要由柱段的軸向壓縮比和剪切壓縮比控制?？紤]到結(jié)構(gòu)的整體地震變形能力，輸送柱不應(yīng)過(guò)早屈服。在抗震承載力的分析計(jì)算中，有必要調(diào)整輸送柱，上下柱以及連接端的剪切彎矩和彎矩的設(shè)計(jì)值。對(duì)于樓板剪力墻結(jié)構(gòu)，特別是當(dāng)?shù)卣鹱饔媒档蜆前寮袅Φ膭偠葧r(shí)，有必要考慮框架柱和樓板，剪力墻的協(xié)同抗震性能，使框架支柱承受更多地震。另外，由于轉(zhuǎn)換梁和柱的受力特殊性，在節(jié)點(diǎn)區(qū)的受力很大，必須進(jìn)行地震檢查計(jì)算。

二、建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則

（一）轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

與主要彎曲的普通框架梁不同，必須考慮轉(zhuǎn)換梁以承受拉力，彎曲，剪切和扭轉(zhuǎn)的綜合作用。設(shè)計(jì)橫截面時(shí)，除了滿足彎曲能力和剪切能力要求外，轉(zhuǎn)換梁的橫截面尺寸還受剪切壓縮比的控制。同時(shí)，考慮到零件的整體穩(wěn)定性，高寬比不應(yīng)太小。當(dāng)考慮轉(zhuǎn)換梁與上下垂直構(gòu)件之間的連接時(shí)，通常限制為沒(méi)有較大的橫截面寬度。在同一方向上，不小于輸送柱的寬度，不小于支撐體，而且至少是柱子寬度或支撐壁厚度的兩倍。在放置偏心張力轉(zhuǎn)換梁鋼筋時(shí)，除了要滿足相應(yīng)的地震結(jié)構(gòu)措施外，梁底部的所有縱向鋼筋都必須穿過(guò)立柱，并且梁頂部的至少50%的縱向鋼筋必須通過(guò)貫穿整個(gè)長(zhǎng)度。為了扭曲轉(zhuǎn)換梁，應(yīng)沿著腹板的高度放置腰部鋼筋，轉(zhuǎn)換梁橫截面的中線應(yīng)重疊，并且將與轉(zhuǎn)換梁方向正交的框架梁設(shè)置在支撐柱的位置以減小扭矩。此外，應(yīng)特別注意由側(cè)孔和集中載荷等因素引起的轉(zhuǎn)換梁橫截面中的應(yīng)力集中。在轉(zhuǎn)換列中應(yīng)限制諸如轉(zhuǎn)換梁的開(kāi)口尺寸和上壁的幾何參數(shù)以及距離，而且距離應(yīng)被限制，并且對(duì)應(yīng)的部分應(yīng)該是諸如鋼筋加密等措施。

（二）轉(zhuǎn)換柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在具有轉(zhuǎn)換層的高層建筑物的抗震設(shè)計(jì)中，必須確保轉(zhuǎn)換柱的安全性，因?yàn)槿绻D(zhuǎn)換柱作為支撐重要力的組件而損壞，則整個(gè)結(jié)構(gòu)都將被損壞。對(duì)于支撐柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)建筑物的抗震等級(jí)適當(dāng)調(diào)整轉(zhuǎn)換柱的軸向力設(shè)計(jì)值，并應(yīng)根據(jù)控制原理調(diào)整柱端的彎矩設(shè)計(jì)值，強(qiáng)柱和弱梁的抗震機(jī)理；柱端彎矩應(yīng)根據(jù)強(qiáng)剪弱彎的原理進(jìn)行調(diào)整。柱截面的最終剪切力和設(shè)計(jì)值還必須滿足控制條件，剪切壓縮比；遵循強(qiáng)節(jié)弱構(gòu)件的原則，檢查轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)核心部位的抗震承載力，并采取適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)加固措施。對(duì)于某些框架支撐剪力墻結(jié)構(gòu)，需要根據(jù)框架柱的數(shù)量和軸承結(jié)構(gòu)的基本剪力比，轉(zhuǎn)換層的彎矩和剪力設(shè)計(jì)值來(lái)調(diào)整地震剪力。轉(zhuǎn)換層到天花板的剪力墻的鋼筋應(yīng)根據(jù)抗震等級(jí)進(jìn)行調(diào)整，應(yīng)避免使用剪力墻，并且兩端應(yīng)偏心拉長(zhǎng)。轉(zhuǎn)換柱的橫截面主要由軸向壓縮比控制，最小橫截面的高度和寬度分別為轉(zhuǎn)換梁跨度的1/12 和450mm。必須確保色譜柱的橫截面太大而無(wú)法形成“短色譜柱”。為了提高安全性，轉(zhuǎn)換柱對(duì)增強(qiáng)柱的要求比一般框架柱要高，垂直增強(qiáng)的最小增強(qiáng)率增加0.2%，最小增強(qiáng)特性值增大0.02，最小體積加固率提高了0.7%。轉(zhuǎn)換塔的箍筋必須沿色譜柱的整個(gè)高度緊密堆積，并且箍筋的最小直徑和最大間距也比常規(guī)框架塔更高。

三、結(jié)語(yǔ)

轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的科學(xué)合理設(shè)計(jì)有助于改善建筑物的整體性能和質(zhì)量，因此轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)已成為高層建筑設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題。隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷發(fā)展，高層建筑正朝著越來(lái)越復(fù)雜和多樣化的結(jié)構(gòu)以及功能越來(lái)越完善的方向發(fā)展。在現(xiàn)代化過(guò)程中，至關(guān)重要的是要更好地發(fā)展高層建筑轉(zhuǎn)換層鋼筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。