帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

[摘要]文章分析高層建筑中轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的幾種常用做法以及轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)在高層建筑中的布置原則，探討高層建筑中轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和發(fā)展的趨勢(shì)，提出高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)研究中值得注意的幾個(gè)問題。

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

[作者簡(jiǎn)介] 陳明，廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院2006級(jí)研究生，廣西 南寧，530004；朱旭飛，廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院2006級(jí)研究生，廣西南寧，530004；何濤，廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院2006級(jí)研究生，廣西南寧，530004；潘春字，廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院2006級(jí)研究生，廣西南寧，530004

[中圖分類號(hào)]TU972⁺.3 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1007－7723(2008)11－0146－0003

一、引言

現(xiàn)代高層建筑的趨勢(shì)是向多功能、綜合用途發(fā)展，在同一豎直線上頂部樓層布置住宅、旅館，中部樓層作為辦公室，下部樓層作為商店、餐廳、文化娛樂室。為了滿足建筑功能上的要求，上部需要小開間的軸線布置，需要較多的墻體，以滿足旅館及住宅的要求；中部辦公室需要較小或中等大小的開間，可以在柱網(wǎng)中布置一定數(shù)量的墻體來實(shí)現(xiàn)；下部則希望有盡可能大的空間，柱網(wǎng)要大，墻體要盡量少。由此可見，這種布置上部剛度大，下部剛度小，與高層建筑結(jié)構(gòu)合理布置有矛盾(見圖1)。

為了解決這種矛盾，必須在高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換處設(shè)置轉(zhuǎn)換層，以保證結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)合理及安全可靠。近年來，帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)越來越多。由于轉(zhuǎn)換層質(zhì)量及剛度集中，給結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析帶來不利影響，使轉(zhuǎn)換層處地震力集中，上下層內(nèi)力集中，層位移增大，轉(zhuǎn)換層從力學(xué)分析來看，有相當(dāng)難度，這是目前高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最關(guān)心的熱點(diǎn)。

二、轉(zhuǎn)換層的定義和功能

因建筑物功能的需要，上部需要小開間的軸線布置，需要較多的墻體；下部則希望有盡可能大的空間，柱網(wǎng)要大，墻體要盡量少。因而，上部部分豎向桿件不能直接連續(xù)貫通落地。而通過水平轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與下部豎向桿件連接，這樣構(gòu)成的高層建筑稱為帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)。

轉(zhuǎn)換層主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

(一)上、下層結(jié)構(gòu)類型轉(zhuǎn)換

轉(zhuǎn)換層將上部剪力墻轉(zhuǎn)換為下部的框架。這種轉(zhuǎn)換層多用于剪力墻和框架一剪力墻結(jié)構(gòu)中，以獲得較大的內(nèi)部自由空間。

(二)上、下層結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)和軸線的改變

轉(zhuǎn)換層上、下的結(jié)構(gòu)形式未改變，通過轉(zhuǎn)換層能使下部結(jié)構(gòu)的柱距擴(kuò)大，形成大柱網(wǎng)。這種形式常用于外框筒的下層以形成較大的出入口。

(三)同時(shí)轉(zhuǎn)換上、下層結(jié)構(gòu)類型和柱網(wǎng)

上部剪力墻結(jié)構(gòu)通過轉(zhuǎn)換層改變?yōu)榭蛑Ъ袅Y(jié)構(gòu)的同時(shí)，下部柱網(wǎng)與上部剪力墻的軸線錯(cuò)開，形成上、下柱網(wǎng)不對(duì)齊的布置。

三、不同類型轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)介紹與設(shè)計(jì)方法

高層建筑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)一般可分為4種基本結(jié)構(gòu)形式，即：桁架(包括空腹桁架)、箱型結(jié)構(gòu)、梁式(包括托梁和雙向梁格)、厚梁厚板(見圖2)。

對(duì)以上4種基本結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題簡(jiǎn)要介紹如下。

(一)梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)形式是目前高層建筑中實(shí)現(xiàn)垂直轉(zhuǎn)換最常用的結(jié)構(gòu)形式，由于其傳力途徑采用墻(柱)→轉(zhuǎn)換梁→柱(墻)的形式，具有傳力直接、明確和清楚的優(yōu)點(diǎn)，便于工程計(jì)算、分析和設(shè)計(jì)，且造價(jià)較節(jié)省。所以梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中應(yīng)用較廣。實(shí)際工程中轉(zhuǎn)換梁的結(jié)構(gòu)形式有多種多樣，從轉(zhuǎn)換梁功能上，可分為托墻和托柱；從轉(zhuǎn)換梁形式上，可分為加腋和不加腋；從轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)采用材料上，又可分為鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土、鋼骨混凝土和鋼結(jié)構(gòu)等。轉(zhuǎn)換梁主要承受豎向荷載，受力特征主要表現(xiàn)為在豎向荷載作用下的受力規(guī)律。為研究上部墻體對(duì)轉(zhuǎn)換梁受力特征的影響，采用有限元分析程序?qū)Σ煌Y(jié)構(gòu)形式轉(zhuǎn)換梁的受力特征進(jìn)行分析。根據(jù)一些工程實(shí)例的計(jì)算結(jié)果分析可見，計(jì)算模型的選取與轉(zhuǎn)換梁的跨度有關(guān)。當(dāng)轉(zhuǎn)換梁的跨度較大時(shí)，上部墻體的層數(shù)考慮取多些；當(dāng)轉(zhuǎn)換梁的跨度較小時(shí)，上部墻體的層數(shù)可適當(dāng)取少些。實(shí)際工程中轉(zhuǎn)換梁的常用跨度為6～12m，而高層建筑結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層常用層高為2.8～3.2m。在此跨度和層高范圍內(nèi)，對(duì)上部托墻形式的梁式轉(zhuǎn)換層，轉(zhuǎn)換梁內(nèi)力有限元分析取其上部墻體3～4層，視這部分墻體連同轉(zhuǎn)換梁組成的倒T型深梁與下部一層結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力分析，計(jì)算精度滿足設(shè)計(jì)要求。

轉(zhuǎn)換梁設(shè)計(jì)方法的選擇與其受力性能和轉(zhuǎn)換層的形式有關(guān)，現(xiàn)簡(jiǎn)述如下：

1、托柱形式轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計(jì)

當(dāng)轉(zhuǎn)換梁承托上部普通框架時(shí)，在轉(zhuǎn)換梁常用截面尺寸范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)換梁的受力基本和普通梁相同，可按普通梁截面設(shè)計(jì)方法進(jìn)行配筋計(jì)算；當(dāng)轉(zhuǎn)換梁承托上部斜桿框架時(shí)，轉(zhuǎn)換梁將承受軸向拉力，此時(shí)應(yīng)按偏心受拉構(gòu)件進(jìn)行截面設(shè)計(jì)。

2、托墻形式轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計(jì)

當(dāng)轉(zhuǎn)換梁承托上部墻體滿跨不開洞時(shí)，轉(zhuǎn)換梁與上部墻體共同工作，其受力特征與破壞形態(tài)表現(xiàn)為深梁，此時(shí)轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計(jì)方法宜采用深梁截面設(shè)計(jì)方法或應(yīng)力截面設(shè)計(jì)方法，且計(jì)算出的縱向鋼筋應(yīng)沿全梁高適當(dāng)分布配置。由于此時(shí)轉(zhuǎn)換梁跨中較大范圍內(nèi)的內(nèi)力比較大，故底部縱向鋼筋不宜截?cái)嗪蛷澠?，?yīng)全部伸入支座。當(dāng)轉(zhuǎn)換梁承托上部墻體滿跨且開較多門窗洞或不滿跨但剪力墻的長(zhǎng)度較大時(shí)，轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計(jì)方法也宜采用深梁截面設(shè)計(jì)方法或應(yīng)力截面設(shè)計(jì)方法，縱向鋼筋的布置則沿梁下部適當(dāng)分布配置，且底部縱向鋼筋不宜截?cái)嗪蛷澠?，?yīng)全部伸入支座。當(dāng)轉(zhuǎn)換梁承托上部墻體為小墻肢時(shí)，轉(zhuǎn)換梁基本上可按普通梁的截面設(shè)計(jì)方法進(jìn)行配筋計(jì)算，縱向鋼筋可按普通梁集中布置在轉(zhuǎn)換梁的底部。轉(zhuǎn)換梁的結(jié)構(gòu)形式有很多種，目前高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的實(shí)際工程應(yīng)用也很多。一般而言，高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的分析必須按施工模擬，使用各階段及施工實(shí)際支撐情況分別進(jìn)行計(jì)算，以反映結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的真實(shí)情況。施工過程中的力學(xué)問題應(yīng)引起設(shè)計(jì)人員和施工人員的高度重視。

(二)桁架式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)形式是由梁式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層變化而來的，整個(gè)轉(zhuǎn)換層由多榀鋼筋混凝土桁架組成承重結(jié)構(gòu)，桁架的上下弦桿分別設(shè)在轉(zhuǎn)換層的上下樓面的結(jié)構(gòu)層內(nèi)，層間設(shè)有腹桿。由于桁架高度較高，所以下弦桿的截面尺寸相對(duì)較小。桁架分為空腹桁架和實(shí)腹桁架2種，它可以是鋼桁架，也可以是鋼筋混凝土桁架，在鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)中常用鋼筋混凝土桁架。與梁式轉(zhuǎn)換層相比，它的整體性好，受力性更加明確，自重較小而抗震性能好，而且便于管道的安裝與維護(hù)等，但在施工上比較復(fù)雜，在設(shè)計(jì)上表現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)難度較大。“強(qiáng)斜腹桿，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”是桁架轉(zhuǎn)換層的基本設(shè)計(jì)原則，而節(jié)點(diǎn)的受力復(fù)雜，容易發(fā)生剪切破壞，造成配筋過多。桁架轉(zhuǎn)換式通常要求高度在3m以上，否則斜壓桿件易形成超短柱，地震作用下容易產(chǎn)生脆性破壞。

桁架式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)述如下：

桁架式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)可以采用ANSYS和TAT來進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析，除應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)整體的位移、變形、抗傾覆、周期等要求外，還應(yīng)滿足(JGJ3－2002)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中附錄E中規(guī)定的轉(zhuǎn)換層上下結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比的要求。

相對(duì)其他結(jié)構(gòu)形式轉(zhuǎn)換層而言，桁架轉(zhuǎn)換層比梁式轉(zhuǎn)換層和厚轉(zhuǎn)換層在受力上更加合理，在轉(zhuǎn)換層位置受到的剪力和彎矩就比較小，有利于構(gòu)件截面尺寸的控制，不會(huì)造成很大的剛度集中。在地震作用下，不會(huì)造成應(yīng)力的集中，有利于結(jié)構(gòu)抗震。其次在桁架轉(zhuǎn)換層上部的結(jié)構(gòu)所受到的剪力和彎矩相對(duì)其他的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)來說也較小，其受力受下部轉(zhuǎn)換層的影響較小，比較合理。由于桁架轉(zhuǎn)換層的重量相對(duì)其他轉(zhuǎn)換層的重量要小，從而減小了下部框架柱的抗壓負(fù)荷。

(三)箱型轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)形式即單向托梁、雙向托梁如果連同上下層較厚的樓板共同工作，可以形成剛度很大的箱形轉(zhuǎn)換層。它的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換層本身的整體性很好，當(dāng)轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)布置較復(fù)雜時(shí)，仍能夠，保證上下豎向構(gòu)件的有效傳力。但從建筑上來看，它直接占用了整個(gè)樓層的使用面積，使得該樓層通常只能作為設(shè)備層使用。同時(shí)，轉(zhuǎn)換層內(nèi)部的剪力墻與設(shè)備布置、管線布置常常發(fā)生沖突。其缺點(diǎn)是自重大、造價(jià)高等。從結(jié)構(gòu)分析角度考慮，其內(nèi)力分析復(fù)雜、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工難度都較大，因此在實(shí)際工程中應(yīng)用較少。

(四)厚板厚梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)形式用于當(dāng)上、下柱網(wǎng)軸線錯(cuò)開較多，難以用梁直接承托時(shí)，則需要做成厚板，形成板式承臺(tái)式轉(zhuǎn)換層。板式轉(zhuǎn)換層的下層柱網(wǎng)可以靈活布置、無須與下層結(jié)構(gòu)對(duì)齊。但有如下缺點(diǎn)：自重很大，材料耗用較多。厚板厚梁式轉(zhuǎn)換層的剛度很大，可以視為剛性轉(zhuǎn)換層。板式轉(zhuǎn)換層一方面給上部結(jié)構(gòu)的布置帶來方便，另一方面也使板的傳力變得不清楚，因而受力也非常模糊，結(jié)構(gòu)計(jì)算相對(duì)困難，采用有限元計(jì)算時(shí)計(jì)算結(jié)果繁雜，給配筋設(shè)計(jì)帶來不便。另外從受力角度考慮，往往需要在柱與柱、柱與墻之間配筋加強(qiáng)，相當(dāng)于設(shè)置暗梁，增加配筋量。從抗剪和抗沖切的角度考慮，轉(zhuǎn)換板的厚度往往很大，這樣的厚板一方面自重很大，增加了對(duì)下部垂直構(gòu)件的承載力的設(shè)計(jì)要求；另一方面，本層的混凝土用量也很大，不經(jīng)濟(jì)。厚板集中了很大的剛度和質(zhì)量，在地震作用下，地震反應(yīng)強(qiáng)烈，不僅板本身受力很大，而且由于沿豎向剛度突然變化，相鄰上下層受到很大的作用力，容易發(fā)生震害。以往的模型震動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究表明，厚板的上下相鄰層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯的裂縫和混凝土剝落。另外，試驗(yàn)還表明，在豎向荷載和地震力共同作用下，板不僅發(fā)生沖切破壞，還可能產(chǎn)生剪切破壞，板內(nèi)必須三向配筋。

厚板轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)述如下：

帶厚板轉(zhuǎn)換層的高層建筑可采用三維空間分析程序(如TBSA，SATWE，TAT等)進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析。厚板的內(nèi)力分析：轉(zhuǎn)換板邊界形狀不規(guī)則，荷載分布和支撐條件較為復(fù)雜，一般需采用有限單元法進(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力分析?？刹捎肞KPM系列軟件中復(fù)雜樓板有限元分析軟件計(jì)算。該程序有良好的前后處理功能，能自動(dòng)地從整體分析程序中取出內(nèi)力作為荷載，自動(dòng)劃分網(wǎng)格和編號(hào)，計(jì)算應(yīng)力后可自動(dòng)進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算、內(nèi)力組合、配筋計(jì)算?？梢赃M(jìn)行板在豎向荷載作用下的受彎、受剪、受沖切和局部受壓的計(jì)算，可以計(jì)算板在水平方向面內(nèi)的剪力與彎矩。

四、結(jié)語

由于帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論方法還不完善，因此在進(jìn)行帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意以下幾個(gè)問題：

第一，轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)不應(yīng)成為柔軟層，否則房屋在大地震中會(huì)倒塌。

第二，應(yīng)使轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度接近下部結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，不發(fā)生轉(zhuǎn)換層上、下剛度突變。

第三，若底部轉(zhuǎn)換層位置越高，則轉(zhuǎn)換層上、下剛度突變?cè)酱?，轉(zhuǎn)換層上、下內(nèi)力傳遞途徑的突變加??；若轉(zhuǎn)換層位置越高，則落地剪力墻或簡(jiǎn)體容易出現(xiàn)受彎裂縫，從而使框支柱的內(nèi)力增大，轉(zhuǎn)換層上部附近的墻體易破壞；若轉(zhuǎn)換層位置越高，則對(duì)結(jié)構(gòu)抗震不利。因此，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換層位置時(shí)應(yīng)符合規(guī)程JGJ3-2002附錄E的規(guī)定。

第四，設(shè)計(jì)帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)體系應(yīng)符合規(guī)程JGJ3-2002的規(guī)定。