轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)特點及新型轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)

摘要:轉(zhuǎn)換層根據(jù)設(shè)計形式的不同,可作正常使用層、設(shè)備層和非用層。轉(zhuǎn)換層通常有桁架式、箱型、空腹桁架、梁式、厚板這幾種。文章論述了轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的分類、各類型的特點及其應(yīng)用、新型轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)等。

關(guān)鍵詞:轉(zhuǎn)換層;結(jié)構(gòu)特點;新型轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)

中圖分類號:TU375 文獻標識碼:A

文章編號:1674-1145(2009)20-0095-02

一、轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)特點分析

轉(zhuǎn)換層可由建筑物高度方向任意布置,一般用在5～6層位置較多。轉(zhuǎn)換層根據(jù)設(shè)計形式的不同,可作正常使用層、設(shè)備層和非用層。轉(zhuǎn)換層通常有桁架式、箱型、空腹桁架、梁式、厚板這幾種。

(一)梁式(圖1、2)

這種轉(zhuǎn)換層形式應(yīng)用最為廣泛,其設(shè)計施工都較為方便,受力明確,荷載傳遞直接,一般用于上下層軸線布置較為規(guī)則的情況。當需要縱橫同時轉(zhuǎn)換時,則采用雙向梁布置。而對于框筒或筒中筒結(jié)構(gòu),由于外框筒一般柱距較密,在底部如口處,由于出入口的需要,有時把外筒的柱減少,這就需要在上下層交接處做一根轉(zhuǎn)換大梁,把上面?zhèn)飨聛淼暮奢d傳至下部大柱上。但梁式轉(zhuǎn)換層不確定的地方在于,當上下軸線不對齊,轉(zhuǎn)換次梁較多時,空間受力較復(fù)雜,在轉(zhuǎn)換梁端易于出現(xiàn)裂縫,且轉(zhuǎn)換主梁在水平荷載易產(chǎn)生較大扭矩。由于梁的抗扭強度很小,單向托梁對其上的框支撐在梁平面外的變形約束很小,容易造成上部結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下變形過大從而造成結(jié)構(gòu)破壞。所以在工程中一般采用雙向梁。

(二)箱式(圖3)

當轉(zhuǎn)換梁縱橫交錯形成密肋梁時,梁連同上下層厚樓板共同作用便形成箱式轉(zhuǎn)換層。其優(yōu)點是交叉梁系整體性好,上下傳力較為均勻,克服了單向托梁的那種抗扭強度低的缺點,而且一般來說,中間層還可使用。缺點是箱形轉(zhuǎn)換層的質(zhì)量跟剛度都太大,地震反應(yīng)激烈,在地震荷載作用下鄰層破壞較為嚴重,而且施工復(fù)雜,難度較高。由于開洞多,所以通常僅用于設(shè)備層。箱形轉(zhuǎn)換層在鐵路工程中是常見的結(jié)構(gòu)形式,用于房屋結(jié)構(gòu)則較少,深圳荔景大廈采用了箱形轉(zhuǎn)換層。

(三)桁架式(空腹桁架式轉(zhuǎn)換層)(圖4、5)

對于下部是商場需要大凈空面積,上部是住宅為小空間布局的高層建筑,一般要設(shè)管道設(shè)備層,而根據(jù)上下柱網(wǎng)的軸線位置而設(shè)置桁架轉(zhuǎn)換層則可巧妙地解決此問題。桁架上部的墻或柱通過珩架傳給下部的墻或柱,管道則可以利用桁架間的空間穿行,做到各取所需,兩全其美。

(四)厚板式(圖6)

對于上下柱網(wǎng)軸線錯位較多,梁式轉(zhuǎn)換層難以使用時,可用厚板式轉(zhuǎn)換層。厚板的厚度很大,且抗剪截面很大,形成一個大剛度的承臺。在厚板轉(zhuǎn)換層內(nèi)設(shè)置暗梁,能承受上部結(jié)構(gòu)傳來的集中荷載并均勻傳給下部結(jié)構(gòu),所以厚板轉(zhuǎn)換層的下層柱網(wǎng)可以靈活布置,無須與上面的柱網(wǎng)對齊,所以給上下的結(jié)構(gòu)布置帶來很大的方便。厚板式轉(zhuǎn)換層在解決建筑功能與建筑結(jié)構(gòu)的矛盾方面有其自身的優(yōu)勢,它可以使高層建筑在轉(zhuǎn)換層上下的墻、柱軸線不受任何限制,因而可以合理地布置構(gòu)件,改善整體結(jié)構(gòu)的受力情況。它特別適用于體型復(fù)雜、功能繁多的結(jié),能夠更為靈活地實現(xiàn)建筑物的功能,真正體現(xiàn)高層建筑的優(yōu)勢。這是其他形式的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)所不能比擬的,因此國內(nèi)外用厚板轉(zhuǎn)換層的工程實例不在少數(shù)。厚板的板厚可根據(jù)柱網(wǎng)尺寸和上部結(jié)構(gòu)的荷載綜合確定。此外,厚板轉(zhuǎn)換層施工極為方便。但也有如下幾個缺點:(1)厚板轉(zhuǎn)換層體系自重大;(2)材料消耗大,經(jīng)濟性差;(3)厚板的剛度和質(zhì)量都很大,地震反應(yīng)大,上下鄰層振動破壞大。因此工程中除非別無他法,否則一般不采用厚板轉(zhuǎn)換層。

(五)巨型框架式(圖7)

當任意需要敞開空間或改變柱列布置時,還可以在結(jié)構(gòu)的一處或多處布置轉(zhuǎn)換層。轉(zhuǎn)換層可以分段布置(圖7.a),形成大框架套小框架的巨型框架結(jié)構(gòu),可間隔布置(圖7.b),也可拖掛相兼(圖7.c)。

二、新型轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)

(一)預(yù)應(yīng)力拱式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)

豎向荷載作用下拱式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)受力性能表明上、下弦桿截面的設(shè)計應(yīng)考慮軸力的影響,必須適當?shù)乜刂粕?、下弦桿的線剛度比。上下弦桿線剛度比應(yīng)該有一個合適的比例,由于下弦桿存在較大的拉力,因此可在下弦桿施加預(yù)應(yīng)力,形成預(yù)應(yīng)力拱式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu),斜腹桿軸壓力較大,可采用鋼管混凝上,以改善該構(gòu)件的受力性能,另外還必須適當?shù)乜刂乒案呖绫?。?jīng)分析,拱高跨比取值范圍為一,較為合理。拱式轉(zhuǎn)換層小震作用下的彈性反應(yīng)表明結(jié)構(gòu)的絕對位移和層間位移角在轉(zhuǎn)換層處發(fā)生突變,等效側(cè)向剛度比對兩者影響較大。樓層剪力在轉(zhuǎn)換層處會發(fā)生突變,等效側(cè)向剛度比偏離較遠時,地震作用突變較劇烈。等效側(cè)向剛度比為一較合適。拱式轉(zhuǎn)換層可以爭取較大的建筑空間,鋼筋及混凝土等材料用量明顯少于梁式轉(zhuǎn)換層,故拱式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)優(yōu)于梁式轉(zhuǎn)換層。

(二)搭接柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

當框架一核心筒結(jié)構(gòu)外圍框架柱網(wǎng)錯開時,若采用梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu),樓板受力較小,轉(zhuǎn)換梁承受很大的內(nèi)力(彎矩和剪力),將造成轉(zhuǎn)換梁截面大,用鋼量大,施工復(fù)雜,同時轉(zhuǎn)換層可利用空間較少。此外,由于轉(zhuǎn)換梁剛度大、自重大,轉(zhuǎn)換層附近剛度和質(zhì)量分布不均勻,當轉(zhuǎn)換層為高位轉(zhuǎn)換時,對抗震尤為不利。采用搭接柱作為轉(zhuǎn)換構(gòu)件,混凝土用量較少、造價低、自重小,轉(zhuǎn)換層本層建筑空間可充分利用,上、下層剛度突變較小,外圍框架柱的軸力較小。搭接柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的工作原理:搭接柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在重力荷載作用下的安全度和可靠度,主要取決于搭接塊相連樓蓋梁板的承載能力和軸向剛度的控制。樓蓋梁板的承載能力和軸向剛度得到控制和滿足,重力荷載作用下,次內(nèi)力(柱、梁、板、墻的彎矩、剪力)及搭接柱變形就能受到控制,整個搭接柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)就能正常工作。搭接塊相連樓蓋梁板承載能力和軸向剛度控制是搭接柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)重力荷載作用下正常工作的關(guān)鍵技術(shù)。

(三)錯列桁架式

這種結(jié)構(gòu)可使高層建筑在每層都有兩個柱距的無間隔空間,而樓板的跨距僅為一個柱距。樓板系統(tǒng)在每個開間上可以一邊支承在一個桁架上弦上,另一邊則吊掛在其相鄰桁架的下弦。當然,缺點也是明顯的,就是形成幾層樓的結(jié)構(gòu)跟建筑都不規(guī)整,還有豎向荷載轉(zhuǎn)換效果比不上別的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形式。錯位轉(zhuǎn)換層整體位置的豎向移動對結(jié)構(gòu)整體剪力、上部轉(zhuǎn)換層下承托墻肢內(nèi)力、上部轉(zhuǎn)換層框支剪力墻內(nèi)力影響不大,但對落地剪力墻、上部轉(zhuǎn)換層下框支柱和下部轉(zhuǎn)換層梁托柱內(nèi)力有較大影響。錯列桁架式雖不常見,但這種復(fù)雜的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)在工程中已有實例。

(四)組合轉(zhuǎn)換層

高層建筑常采用框筒結(jié)構(gòu)或框筒與其他結(jié)構(gòu)組成的混合結(jié)構(gòu)。當采用外框筒時,外筒一般在3m以內(nèi),無法在底部為高層建筑提供大入口,同時為了建筑立面的需要而抽去外框架的柱子,形成底部大柱距的筒體結(jié)構(gòu)。在抗震設(shè)計中,內(nèi)框筒跟外框柱都要承擔較大的地震剪力和傾覆力矩,承力構(gòu)件如果不連續(xù),就會出現(xiàn)抗震薄弱環(huán)節(jié),因此要設(shè)轉(zhuǎn)換層,并加大底層柱面積。外框筒的轉(zhuǎn)換層可采用轉(zhuǎn)換梁、轉(zhuǎn)換桁架、桁架拱等。

參考文獻

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作者簡介:區(qū)王生(1980- ),男,供職于廣西電力工業(yè)勘察設(shè)計研究院,研究方向:設(shè)計。