淺談高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)

賈 輝 孫華東

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟發(fā)展和科技進步，國內(nèi)外高層建筑的發(fā)展十分迅速，而且為滿足人們生活快節(jié)奏的需要，現(xiàn)代的高層建筑結(jié)構(gòu)越來越高、越建越大，并且向著體形復(fù)雜、功能多樣、造型新穎的方向發(fā)展［1］。為滿足建筑結(jié)構(gòu)功能的需要，必須對其進行“反常規(guī)設(shè)計”，即上部布置小空間，下部布置大空間。而為了實現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)布置，就必須在結(jié)構(gòu)發(fā)生變化或者上下軸線錯位的樓層設(shè)置水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)應(yīng)運而生。目前，這類建筑已經(jīng)成為現(xiàn)代高層建筑發(fā)展的一大趨勢。

1 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的分類

由于結(jié)構(gòu)功能的不同，依據(jù)轉(zhuǎn)換層所實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換可以把轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)大致分為以下3類［3，4］:

1 )上層和下層結(jié)構(gòu)類型的轉(zhuǎn)換。將上部墻體轉(zhuǎn)換為下部框架，以創(chuàng)造一個較大的內(nèi)部空間，多用于剪力墻和框架—剪力墻結(jié)構(gòu);2)上層和下層柱網(wǎng)、軸線的改變。這類轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)形式?jīng)]有改變，但通過轉(zhuǎn)換層，使下部結(jié)構(gòu)柱距擴大，形成大柱網(wǎng); 3)同時轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)軸線的布置。這一類型的轉(zhuǎn)換層在將上部樓層剪力墻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為下部框架結(jié)構(gòu)的同時，下部樓層柱網(wǎng)軸線與上部樓層的軸線錯開，形成上、下部結(jié)構(gòu)錯位布置［2］。

2 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的主要形式

2.1 梁式轉(zhuǎn)換

梁式結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層一般在轉(zhuǎn)換層的樓面設(shè)置縱橫交錯的鋼筋混凝土承重大梁，為適應(yīng)上部荷載的需要，梁的截面尺寸較大，對于框筒、筒中筒結(jié)構(gòu)或外框筒的柱一般較密，在底部一層、二層的出入口處往往不能滿足使用要求，有時要求把外筒的柱在局部處減少1根～2根。局部形成上層有柱，下層無柱的情形。有時出入口不只一處，而且一層與二層的出入口不一定都上下對齊。遇此情形，可以在相應(yīng)樓層下作一圈轉(zhuǎn)換大梁，把上部柱的荷載通過轉(zhuǎn)換大梁傳到下層兩邊的柱上去，相應(yīng)的這兩邊的柱的尺寸要加大。梁式轉(zhuǎn)換還更多地適用于框支剪力墻結(jié)構(gòu)，這種高層建筑中最常見的結(jié)構(gòu)，是把大部分的剪力墻在一定層次上用框架抬起來，一部分剪力墻落地，在交界處用一較大截面的托梁來過渡，結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層就做在框支梁這一層。這樣，房間中無凸出的柱，墻面平整，在使用中也較為合理。

2.2 桁架式轉(zhuǎn)換

桁架式結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層是由梁式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層變化而來的，整個轉(zhuǎn)換層由多種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，所以上、下弦桿的截面尺寸相對較小。對于下部是商場、娛樂設(shè)施，上部是客房、賓館的情形，一般在較大柱距方向，由于上部有走道，衛(wèi)生間等，需要加設(shè)柱來減小梁的跨度，從而達到減小梁高，降低客房層高的目的。通常在客房層和商場之間作一個設(shè)備層，利用設(shè)備層的空間在此方向作空腹桁架，所有設(shè)備管道可在桁架的腹內(nèi)穿行，不影響使用。桁架上部的柱或墻荷載通過桁架傳到下部較大柱距的柱或墻上。有時為了把客房層的層高再壓低一些，上部客房層在另一個方向上也加一根柱子，此時在轉(zhuǎn)換層內(nèi)要在兩個方向作空腹桁架。為方便設(shè)計與施工，宜上下各作一塊較厚的板，在中間適當(dāng)位置布置一些肋，中空的地方可讓設(shè)備管道穿行。

2.3 箱形轉(zhuǎn)換

箱形轉(zhuǎn)換是通過一整層來達到具有較大剛度和承載力的一種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，實際上也是由梁式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層變化而來的。在這一轉(zhuǎn)換層中，樓層上下面的同一根軸線上均設(shè)一道大梁，梁間是鋼筋混凝土墻，構(gòu)成類似于桁架的大型組合梁結(jié)構(gòu)?？v橫兩向的組合梁交叉成梁格，大部分交叉處有底層通上來的柱子，地板和頂板都是鋼筋混凝土厚板，這樣便形成一個箱形剛性層。在該層的腹板中可以選擇適當(dāng)位置開設(shè)管道和人通行孔洞，以充分利用空間。過渡層上的剪力墻不像框支剪力墻那樣應(yīng)力復(fù)雜，這就在一定程度上解決了框支剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻開洞要求與洞口限制之間的矛盾。但箱形自身剛度較大，大空間的底層或下部幾層的結(jié)構(gòu)平面需進行合理布置，保持一定的剛度，避免在抵抗水平力時因底層剛度削弱而產(chǎn)生較大的相對位移，造成破壞。目前箱形轉(zhuǎn)換層用于房屋結(jié)構(gòu)還不多，但在鐵路工程中較常見。

2.4 厚板轉(zhuǎn)換

厚板結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層通常適用于上、下層既有結(jié)構(gòu)類型的轉(zhuǎn)變，又有柱網(wǎng)、軸線變化的情況。對于體型復(fù)雜的商住樓，特別是多塔樓體系，上部住宅單元剪力墻布置很不規(guī)則，而下部商場要求規(guī)則大柱網(wǎng)，難以布置轉(zhuǎn)換梁，采用厚板轉(zhuǎn)換層成為一種較好的選擇。厚板在解決建筑與結(jié)構(gòu)的功能方面有一定的優(yōu)勢，它可以使高層建筑在轉(zhuǎn)換層上、下的墻、柱軸線上不受任何限制，因而可以比較合理的布置構(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)構(gòu)，能夠更為靈活的實現(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。隨著高層建筑的迅速發(fā)展和框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系的廣泛應(yīng)用，為滿足復(fù)雜建筑的需要，轉(zhuǎn)換層位置的高度越來越高，一般設(shè)在3層～6層，有的工程設(shè)在7層～10層，甚至更高，這就是我們所說的高位轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。這類結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法在現(xiàn)行《高規(guī)》中沒有明確規(guī)定，主要原因是對高位轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)研究不夠深入，而工程師往往沿用底層框支剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，但是原有的設(shè)計方法是否滿足高位轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的需要，轉(zhuǎn)換層的高度對框支剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能有何影響，對側(cè)向剛度和平面布置有何影響，在設(shè)計中應(yīng)注意哪些問題，這些都是工程設(shè)計人員迫切關(guān)注的。所以，高位轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計中有許多問題有待解決，該課題具有重大的理論和現(xiàn)實意義［3］。

3 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢

3.1 鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換層的應(yīng)用［4］

鋼骨混凝土梁不僅承載力高，剛度好，可大大減小截面尺寸，且塑性、耐久性和抗震性能優(yōu)于鋼筋混凝土梁。此外，鋼骨混凝土梁在施工階段其自身剛度好，定位準(zhǔn)確，可減少支模，加快施工速度。目前，國內(nèi)采用鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換構(gòu)件的實際工程還不多，但國外采用則較多。

3.2 預(yù)應(yīng)力混凝土轉(zhuǎn)換層的應(yīng)用［5］

采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)可帶來許多結(jié)構(gòu)和施工上的優(yōu)點，如減小截面尺寸、控制裂縫和撓度，控制施工階段的裂縫及減輕支撐負(fù)擔(dān)等等。因此，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)非常適合于建造承重荷載的大跨度轉(zhuǎn)換層，且自重輕，節(jié)省鋼材和混凝土。

3.3 轉(zhuǎn)換梁受力性能的改善

轉(zhuǎn)換梁的截面尺寸是由其受剪承載力來控制的，截面尺寸往往較大，處理不好有可能使轉(zhuǎn)換梁與框支柱形成的框架出現(xiàn)“強梁弱柱”的現(xiàn)象，對結(jié)構(gòu)抗震不利;另一方面采用轉(zhuǎn)換梁也多少會影響該層的使用空間;對于外筒的轉(zhuǎn)換，采用轉(zhuǎn)換梁會對該層的通風(fēng)、采光不利，若開設(shè)洞口，則會產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此有必要尋求新的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形式，以改善轉(zhuǎn)換梁的受力性能，主要途徑包括:

1 )斜向支撐的應(yīng)用;2)豎向傳力的多道轉(zhuǎn)換;3)轉(zhuǎn)換梁加腋的應(yīng)用;4)新型轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的應(yīng)用［5，8］。

4 結(jié)語

轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)是一種新型的結(jié)構(gòu)形式，它的出現(xiàn)推動了高層建筑及其結(jié)構(gòu)體系形式的發(fā)展，極大促進了建筑科學(xué)的進步。轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式多樣且各具特點，設(shè)計時應(yīng)結(jié)合工程實際情況加以選用，并應(yīng)注重轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計，合理的結(jié)構(gòu)平面和豎向布置可以從整體上形成良好的抗震體系，保證建筑物的安全性和經(jīng)濟性。

［1］ 趙西安.鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1995：101-156.

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［3］ 梁炯豐，張 敏.高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)綜述［J］.石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報，2006，19(S1)：186-189.

［4］ 唐興榮，何若全.高層建筑中轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀和發(fā)展［J］.蘇州城建環(huán)保學(xué)院學(xué)報，2001，14(3)：1-8.

［5］ 婁 宇，魏 璉，丁大鈞.高層建筑中轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和發(fā)展［J］.建筑結(jié)構(gòu)，1997(1)：21-26.

［6］ 傅學(xué)怡.轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計建議［J］.建筑結(jié)構(gòu)，1999，20(2)：28-41.

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