建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)的應(yīng)用研究

張恒波

（濰坊市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東 濰坊 261061）

隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，建筑業(yè)迎來(lái)了一個(gè)巨大的發(fā)展機(jī)遇，行業(yè)整體發(fā)展水平不斷提高，人們對(duì)建筑結(jié)構(gòu)功能需求也逐漸呈現(xiàn)出多樣化、個(gè)性化的特點(diǎn)。因此，需要對(duì)高層建筑中的轉(zhuǎn)換層進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，尤其是高層住宅建筑。在設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中，可采用不同類(lèi)型的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)來(lái)滿(mǎn)足住戶(hù)的個(gè)性化使用需求，從而全面提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效益。因此，需要對(duì)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行有效分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高高層建筑的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

1 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的作用

轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)用可滿(mǎn)足大型商場(chǎng)、娛樂(lè)場(chǎng)所的多樣化功能需求。主要利用墻體對(duì)上下層空間進(jìn)行分割，上層主要滿(mǎn)足住宅戶(hù)型的空間設(shè)計(jì)要求，利用墻體將整體空間進(jìn)行合理劃分；下層主要預(yù)留整體空間結(jié)構(gòu)，面積較大，使用方式比較靈活、多樣化。在高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)結(jié)合建筑體的具體使用功能，對(duì)層高進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保留其正常樓層的使用功能，必要時(shí)可作為設(shè)備層使用。

2 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)分類(lèi)

2.1 箱式轉(zhuǎn)換層

當(dāng)高層建筑結(jié)構(gòu)梁截面較大且一層樓板剛度不符合標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)要求時(shí)，應(yīng)在轉(zhuǎn)換梁底與梁頂之間放置一層樓板，構(gòu)建成一個(gè)箱型梁，這樣就能保證樓板剛度的假定值與實(shí)際數(shù)值一致。這種結(jié)構(gòu)形式可應(yīng)用于整個(gè)樓層，環(huán)繞建筑周邊形成箱式轉(zhuǎn)換層。這種結(jié)構(gòu)類(lèi)型的約束力較強(qiáng)、剛度大，可以對(duì)轉(zhuǎn)換層的上下層應(yīng)力進(jìn)行直接、均勻的傳遞，必要時(shí)可作為設(shè)備層使用。但在實(shí)際應(yīng)用中，需要在建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)開(kāi)挖更多的設(shè)備預(yù)留孔，操作過(guò)程難度較大，成本較高。

2.2 梁式轉(zhuǎn)換層

梁式轉(zhuǎn)換層通常與框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系結(jié)合使用，底部空間較大。在實(shí)際應(yīng)用中，需要將上層剪力墻設(shè)置在框支梁上，通過(guò)固定結(jié)構(gòu)來(lái)提供支撐力，共同構(gòu)成結(jié)構(gòu)體系。如果要對(duì)縱、橫向進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通常使用雙向梁模式操作。這種結(jié)構(gòu)類(lèi)型的轉(zhuǎn)換層施工操作簡(jiǎn)單，可以對(duì)上下層的應(yīng)力進(jìn)行精準(zhǔn)傳遞，整體強(qiáng)度和剛度較高，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛。如果需要對(duì)上下軸進(jìn)行錯(cuò)位安排，則需要增加轉(zhuǎn)換梁的設(shè)置數(shù)量，這種情況會(huì)使整體空間的受力情況更加復(fù)雜。

2.3 厚板式轉(zhuǎn)換層

在高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)上下柱網(wǎng)錯(cuò)位復(fù)雜且梁不能發(fā)揮其承托作用時(shí)，需要設(shè)計(jì)厚板式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，如圖1所示。在具體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合柱網(wǎng)大小尺寸、上層結(jié)構(gòu)荷載等因素，明確板的厚度和規(guī)格。這種結(jié)構(gòu)類(lèi)型適用性強(qiáng)、使用靈活，可用于任何結(jié)構(gòu)布局，且剛度較大，可組成整體性的承臺(tái)，但受力狀態(tài)復(fù)雜、傳力途徑混亂、內(nèi)應(yīng)力大、易發(fā)生剛度突變，適合結(jié)構(gòu)復(fù)雜、開(kāi)間較多的建筑結(jié)構(gòu)，不適合在多震區(qū)域使用。

圖1 厚板式轉(zhuǎn)換層

2.4 桁架式轉(zhuǎn)換層

在高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，如果上層是住宅用房、下層是大型商場(chǎng)的結(jié)構(gòu)，則應(yīng)采用桁架式結(jié)構(gòu)形式，并可作為設(shè)備層使用。在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)桁架將上層柱墻的荷載傳遞給下層柱墻，并根據(jù)具體需求在桁架空間內(nèi)設(shè)置差異化的管道。在具體設(shè)計(jì)時(shí)，可在整個(gè)樓層進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合理設(shè)置，確保其與墻肢形心對(duì)中。這種結(jié)構(gòu)類(lèi)型的結(jié)構(gòu)受力途徑比較明確，常用于地震多發(fā)地區(qū)，但施工工藝復(fù)雜，尤其是軸線(xiàn)錯(cuò)位布置容易出現(xiàn)失誤，不利推廣到二、三線(xiàn)城市。

3 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

轉(zhuǎn)換層在高層建筑設(shè)計(jì)中起著承上啟下的作用，直接影響建筑工程質(zhì)量。轉(zhuǎn)換層的規(guī)范設(shè)計(jì)能減少資源浪費(fèi)、提高資源利用率、有效控制工程設(shè)計(jì)中的風(fēng)險(xiǎn)因素。具體的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則：

（1）在滿(mǎn)足建筑體功能需求的前提下，合理控制轉(zhuǎn)換層豎向構(gòu)件的使用數(shù)量，避免使用量過(guò)多。同時(shí)，要相應(yīng)地增加直接接地構(gòu)件數(shù)量，降低建筑結(jié)構(gòu)的剛度，防止發(fā)生剛度突變，提高整體結(jié)構(gòu)的抗震性。

（2）避免高位轉(zhuǎn)換。由于高位轉(zhuǎn)換將導(dǎo)致框支剪力墻結(jié)構(gòu)的傳力受阻、結(jié)構(gòu)剛度突變等，使建筑物出現(xiàn)薄弱層，降低整體抗震性能。

（3）明確傳力途徑，避免在傳力過(guò)程中發(fā)生剛度突變，保證受力均勻性。

（4）科學(xué)分析剪力墻與框支剪力墻的占比。一般情況下，橫向落地剪力墻是橫向墻的0.5倍。

（5）為保證上部柱子與剪力墻的對(duì)稱(chēng)性，采用轉(zhuǎn)換梁對(duì)梁上立柱進(jìn)行固定，從而控制支柱柱角，避免變形。

4 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）梁式轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)廣泛應(yīng)用于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，受力途徑明確、整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、施工過(guò)程不復(fù)雜。但在具體設(shè)計(jì)時(shí)，必須保證上下層結(jié)構(gòu)的優(yōu)化布置，促進(jìn)上下層結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)，進(jìn)而提高高層建筑結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。當(dāng)建筑高度較高時(shí)，剪力墻的內(nèi)力和傳力途徑發(fā)生變化，整體受力能力下降，應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)以提高其抗震性能。

（2）桁架式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)是一種重要的承重結(jié)構(gòu)，可以對(duì)建筑不同功能區(qū)域的上下層進(jìn)行連接。但由于其下桿橫截面積較小、高度較高，施工難度大，施工工藝復(fù)雜。因此，在實(shí)際施工過(guò)程中，必須對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行全面的研究，精準(zhǔn)計(jì)算參數(shù)，以達(dá)到整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最佳效果。

（3）厚板式轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)布置時(shí)適用性較強(qiáng)，使用性靈活，簡(jiǎn)化了上下層結(jié)構(gòu)的正對(duì)工序。但在實(shí)際施工中需要大量的材料，因此，需要精確地計(jì)算受力角度，并選擇合適的配筋量。同時(shí)，應(yīng)綜合考慮抗剪力與抗沖切力，控制受力程度，以精確計(jì)算內(nèi)力及配筋量，在保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的同時(shí)，充分發(fā)揮經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)勢(shì)。

4.2 優(yōu)化抗震設(shè)計(jì)

隨著現(xiàn)代化社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)房屋結(jié)構(gòu)抗震性能的要求越來(lái)越高，但某些高層建筑由于增加了轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)豎向剛度受力失衡、承載力分布不均、傳力剛度下降，甚至出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形等問(wèn)題，嚴(yán)重影響整體建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。因此，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換層時(shí)應(yīng)加強(qiáng)抗震設(shè)計(jì)，綜合分析潛在的地震威脅因素，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)的全面性和完整性，提高整體結(jié)構(gòu)的抗震性能。另外，應(yīng)盡量避免高位轉(zhuǎn)換，高位轉(zhuǎn)換容易造成上下層結(jié)構(gòu)受力不均，發(fā)生水平地震時(shí)剪力墻受力荷載過(guò)大，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的支撐力下降；高層建筑受力復(fù)雜，整體抗震性能較差，結(jié)合數(shù)據(jù)分析，如果轉(zhuǎn)換層超過(guò)三層，其抗震性能將受到很大影響；如果高位轉(zhuǎn)換層的傳力途徑被堵塞，將導(dǎo)致下層剪力墻的受力傳遞困難，導(dǎo)致剛度突變，甚至出現(xiàn)裂縫問(wèn)題，形成薄弱層。因此，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換層時(shí)，應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)類(lèi)型、高度等因素選擇合適的設(shè)計(jì)方案；轉(zhuǎn)換層下層剪力墻主要通過(guò)樓板將受力傳遞到落地剪力墻上，應(yīng)避免力堆積過(guò)大而引起剛度突變問(wèn)題；如果采用高位轉(zhuǎn)換層，則應(yīng)注意提高其抗震等級(jí)，尤其要加強(qiáng)框架、支撐、剪力墻的抗震等級(jí)，以減少建筑出現(xiàn)薄弱樓層。轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)布置平面如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)布置平面圖

4.3 優(yōu)化剛度設(shè)計(jì)

剛度是影響轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)質(zhì)量的關(guān)鍵因素，特別是高層建筑，其高度和自重對(duì)轉(zhuǎn)換層剛度有不利影響。因此，為了提高建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換層時(shí)應(yīng)使用較高等級(jí)的混凝土，保證下層剛度超過(guò)上層70%，將其設(shè)計(jì)為筒體結(jié)構(gòu)，以保證結(jié)構(gòu)剛度符合設(shè)計(jì)要求。轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和布置應(yīng)注意以下兩點(diǎn)。

（1）底部大空間剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要對(duì)上下層剪力墻剛度比進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，使上下層受力均勻，避免剛度突變，從而保證整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

（2）外圍柱距的框筒結(jié)構(gòu)在對(duì)轉(zhuǎn)換層進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，如果要擴(kuò)大外圍柱距框筒結(jié)構(gòu)，應(yīng)采取有效措施保證上下層剪力墻剛度的穩(wěn)定性。因此，在設(shè)計(jì)上下截面時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況采用相同材質(zhì)的鋼管混凝柱結(jié)構(gòu)，對(duì)柱子的截面、剛度等參數(shù)進(jìn)行有效控制，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4.4 轉(zhuǎn)換層的豎向布置

轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)應(yīng)深入分析、精細(xì)布置轉(zhuǎn)換層的豎向結(jié)構(gòu)，以滿(mǎn)足建筑物的實(shí)際功能需求、優(yōu)化上下層傳力途徑、防止高位轉(zhuǎn)換問(wèn)題、提高整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可控性。另外，要對(duì)轉(zhuǎn)換層的高度進(jìn)行控制，如果其高度過(guò)高，將增加剛度突變的風(fēng)險(xiǎn)，破壞框支剪力墻結(jié)構(gòu)的受力途徑，從而威脅整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗震性。因此，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換層豎向結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)規(guī)范設(shè)置底部帶轉(zhuǎn)換層的建筑結(jié)構(gòu)，防止豎向構(gòu)件連續(xù)貫通。但如果建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)際功能要求應(yīng)用到高位轉(zhuǎn)換，則需要對(duì)變形、彎曲、剪切等結(jié)構(gòu)的剛度進(jìn)行全面分析，使層間內(nèi)力的穩(wěn)定性得到最大程度的控制，從而提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定效益。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量直接影響整體建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定效益。因此，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)類(lèi)型進(jìn)行合理分類(lèi)和科學(xué)選擇，明確轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)原則，分析設(shè)計(jì)要點(diǎn)，尤其要對(duì)不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型的設(shè)計(jì)要點(diǎn)、抗震設(shè)計(jì)、豎向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、剛度設(shè)計(jì)等進(jìn)行詳細(xì)分析，從而制定更加優(yōu)化、合理的技術(shù)方案，以保證高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性，促進(jìn)建筑行業(yè)的快速發(fā)展。