高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解析

陳和洪

【摘 要】 加強(qiáng)高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究是十分必要的。本文作者結(jié)合多年來(lái)的工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，具有重要的參考意義。

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

1 高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的特點(diǎn)

為保證轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度和剛度，致使結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸不可避免地高而大。結(jié)構(gòu)中由于設(shè)置了轉(zhuǎn)換層，沿建筑物高度方向剛度的均勻性會(huì)受到很大的破壞，力的傳遞途徑有大的改變，為豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)，這決定了轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)不能以通常結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。

2 轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)布置

底部帶轉(zhuǎn)換層的建筑結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層上部的部分豎向構(gòu)件不能直接連續(xù)貫通落地，因此，必須設(shè)置安全可靠的轉(zhuǎn)換構(gòu)件。按現(xiàn)有的工程經(jīng)驗(yàn)和研究結(jié)果，轉(zhuǎn)換構(gòu)件可采用轉(zhuǎn)換大梁、析架、空腹析架、斜撐、箱形結(jié)構(gòu)以及厚板等形式。由于轉(zhuǎn)換厚板在地震區(qū)使用經(jīng)驗(yàn)較少，可在非地震區(qū)和6度抗震設(shè)計(jì)時(shí)采用，對(duì)于大空間地下室，因周?chē)屑s束作用，地震反應(yīng)小于地面以上的框支結(jié)構(gòu)，故7度，8度抗震設(shè)計(jì)時(shí)的地下室可采用厚板轉(zhuǎn)換層。

落地剪力墻和框支柱的布置對(duì)于防止轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)在地震中倒塌將起十分重要的作用。高規(guī)規(guī)定了幾條重要原則：帶轉(zhuǎn)換層的筒體結(jié)構(gòu)的內(nèi)筒應(yīng)全部上、下貫通落地并按剛度要求增加墻厚；框支剪力墻結(jié)構(gòu)要有足夠的剪力墻上、下貫通落地并按剛度比要求增加墻厚；長(zhǎng)矩形平面的框支剪力墻結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)計(jì)時(shí)，其落地剪力墻的間距按原規(guī)程適當(dāng)加嚴(yán)，比原規(guī)程增加了限制落地柱周?chē)臉前宀粦?yīng)錯(cuò)層的規(guī)定。

這幾點(diǎn)的原則是防止轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)破壞的基本要求，特別是對(duì)于抗震設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，要求更加嚴(yán)格。遵守這些原則就可控制剛度突變，減少內(nèi)力傳遞的突變程度，縮短轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)內(nèi)力傳遞途徑，保證轉(zhuǎn)換層樓蓋有足夠的剛度以傳遞不同抗側(cè)力結(jié)構(gòu)之間的剪力，防止框支柱因樓蓋錯(cuò)層發(fā)生破壞。

框支剪力墻轉(zhuǎn)換梁上一層墻體內(nèi)不宜設(shè)邊門(mén)洞、中柱上方不宜設(shè)門(mén)洞。試驗(yàn)研究和計(jì)算分析說(shuō)明，這些門(mén)洞使框支梁的剪力大幅度增加，邊門(mén)洞小墻肢應(yīng)力集中，很容易破壞。此外，落地剪力墻和筒體的洞口宜在墻體的中部，以便使落地剪力墻各墻肢受力（剪力、彎矩、軸力）比較均勻。

3 轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)

帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)中，由于設(shè)置了轉(zhuǎn)換層，沿建筑物高度方向剛度的均勻性受到很大的破壞，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)豎向承載力構(gòu)件不連續(xù)和墻、柱截面的突變，導(dǎo)致傳力路線曲折、變形集中和應(yīng)力集中，因此轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的抗震性能較差?？拐鹪O(shè)計(jì)時(shí)，高位轉(zhuǎn)換對(duì)結(jié)構(gòu)受力十分不利。計(jì)算分析說(shuō)明，在水平地震作用下，傾覆力矩分布曲線在轉(zhuǎn)換層處呈現(xiàn)轉(zhuǎn)折，轉(zhuǎn)換層下部是以剪力墻為主的框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，落地剪力墻所分配的傾覆力矩由轉(zhuǎn)換層往下遞增較快，而支撐框架的傾覆力矩遞增很少。

此外，轉(zhuǎn)換層處，框支剪力墻的大量剪力通過(guò)樓板傳遞給落地剪力墻，這也是傾覆力矩曲線呈現(xiàn)轉(zhuǎn)折的原因。當(dāng)轉(zhuǎn)換層位置較高時(shí)，剪力分配和傳力途徑亦發(fā)生急劇的突變，落地剪力墻更容易產(chǎn)生裂縫，框支剪力墻在轉(zhuǎn)換層上部的墻體所受內(nèi)力很大，易于破壞，轉(zhuǎn)換層下部的支承框架更易于屈服，從而容易形成幾個(gè)薄弱層。

因此，為保證設(shè)計(jì)的安全性，規(guī)定部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的位置設(shè)置在3層以上時(shí)，其框支柱、剪力墻底部加強(qiáng)部位的抗震等級(jí)宜按高規(guī)規(guī)定提高一級(jí)采用，已經(jīng)為特一級(jí)時(shí)不再提高，提高其抗震構(gòu)造措施，而對(duì)于底部帶轉(zhuǎn)換層的框架—核心筒結(jié)構(gòu)和外圍為密柱框架的筒中筒結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)不必提高。底部帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑在我國(guó)已大量建造，但至今未經(jīng)受到大地震的考驗(yàn)。其轉(zhuǎn)換層上部樓層的部分豎向構(gòu)件不能連續(xù)貫通至下部樓層，因此，轉(zhuǎn)換層是薄弱樓層，其地震剪力需乘以1.15的增大系數(shù)。設(shè)計(jì)中不要誤認(rèn)為只要樓層側(cè)向剛度滿足要求，該樓層就不是薄弱層。對(duì)轉(zhuǎn)換層的轉(zhuǎn)換構(gòu)件水平地震作用的計(jì)算內(nèi)力需調(diào)整增大；8度抗震設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)考慮豎向地震作用的影響。轉(zhuǎn)換構(gòu)件的豎向地震作用，可采用反應(yīng)譜方法或動(dòng)力時(shí)程分析方法計(jì)算：作為近似考慮，也可將轉(zhuǎn)換構(gòu)件在重力荷載標(biāo)準(zhǔn)作用下的內(nèi)力乘以增大系數(shù)1.1。

高規(guī)中對(duì)框支柱的內(nèi)力增大幅度比較高；轉(zhuǎn)換層位置在3層及3層以上的結(jié)構(gòu)對(duì)抗震更為不利，其內(nèi)力增大幅度也適當(dāng)提高。高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)是一種受力復(fù)雜的不利抗震的高層建筑結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度9度（0.4g）時(shí)不應(yīng)采用。帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)可根據(jù)設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)類(lèi)型、構(gòu)件種類(lèi)和房屋高度，采用相應(yīng)抗震等級(jí)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和采取相應(yīng)的構(gòu)造措施。

4 轉(zhuǎn)換層上下結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比的合理取值

轉(zhuǎn)換層上部與下部結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比計(jì)算時(shí)宜綜合考慮各構(gòu)件的剪切、彎曲和軸向變形對(duì)結(jié)構(gòu)側(cè)移的影響。當(dāng)轉(zhuǎn)換層設(shè)置在3層及3層以上時(shí)，其樓層側(cè)向剛度尚不應(yīng)小于相鄰上部樓層側(cè)向剛度的60%。這一規(guī)定是為了防止出現(xiàn)轉(zhuǎn)換層的下部樓層剛度較大，而轉(zhuǎn)換層本層的側(cè)向剛度較小，此時(shí)等效側(cè)向剛度比雖能滿足限值要求，但轉(zhuǎn)換層本層的側(cè)向剛度過(guò)于柔軟。層側(cè)向剛度比的限值取60%，與美國(guó)規(guī)范（IBC-2000）的規(guī)定相同。高規(guī)第4.4.2條只規(guī)定了樓層側(cè)向剛度不宜小于相鄰上部樓層側(cè)向剛度的70%，未規(guī)定下限值。對(duì)于位于3層及3層以上的帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)，規(guī)定60%作為下限值是十分必要的。當(dāng)轉(zhuǎn)換層設(shè)置在3層及3層以上時(shí)，應(yīng)按高規(guī)規(guī)定分別計(jì)算等效側(cè)向剛度比和轉(zhuǎn)換層本層與轉(zhuǎn)換層相鄰上部樓層側(cè)向剛度比，設(shè)計(jì)中應(yīng)同時(shí)滿足這兩種剛度比的限制條件。高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)換層上、下層主體結(jié)構(gòu)的剪切剛度比γ的合理取值：

1）擴(kuò)大外圍柱距的框筒結(jié)構(gòu)或內(nèi)部抽柱的框架結(jié)構(gòu)。對(duì)這種情況的結(jié)構(gòu)γ應(yīng)取1，即保持上、下層剪切剛度不變。在一般情況下，由于建筑功能上要求下部柱子截面小，層高要比上層高許多，因此很難滿足上述要求。此時(shí)建議轉(zhuǎn)換層以下采用鋼骨混凝土柱或鋼管混凝土柱，這樣來(lái)調(diào)整柱的截面面積、剛度和延性，從而達(dá)到滿足建筑功能的要求。但這時(shí)應(yīng)特別注意轉(zhuǎn)換層上、下的連接，當(dāng)轉(zhuǎn)換層上部為鋼筋混凝土?xí)r，應(yīng)將下部鋼骨混凝土柱錨入轉(zhuǎn)換層內(nèi)。

2）底部大空間剪力墻結(jié)構(gòu)。

由于底部大空間剪力墻結(jié)構(gòu)的底層高大以及部分剪力墻不落地改為框支后，底部剛度顯著減小，為防止底部層剛度突變，應(yīng)控制轉(zhuǎn)換層上、下剪切剛度比（γ）：當(dāng)?shù)撞看罂臻g為1層時(shí)，轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)等效剪切剛度比γ宜接近1，非抗震設(shè)計(jì)時(shí)γ不應(yīng)大于3，抗震設(shè)計(jì)時(shí)γ不應(yīng)大于20。

5 轉(zhuǎn)換板（9.95m處）混凝土工程施工技術(shù)

該工程中，樓房在9.950m處設(shè)有1.6m厚的轉(zhuǎn)換板，屬大體積混凝土，此處混凝土的施工方案尤為關(guān)鍵。

5.1 混凝土施工方案設(shè)計(jì)

大體積混凝土的施工宜在低溫條件下進(jìn)行，而本工程轉(zhuǎn)換板的施工正在冬季，而且是在2007年12月底，故本工程的混凝土采用了水平分層澆筑，即每層澆筑厚度為500mm，澆至與板底平后，與板一起澆筑。分層振搗密實(shí)，移動(dòng)間距為振動(dòng)棒作用半徑的1.5倍，上下層搭接插入下層混凝土中深度大于5cm。混凝土在澆筑及靜置過(guò)程中，由于多種因素的綜合作用極易產(chǎn)生非結(jié)構(gòu)性裂紋，因此混凝土宜兩次收光掃毛；第一次在初凝前3h，主要是把底部的水拍出表面；第二次在終凝前，一邊收光一邊用塑料薄膜覆蓋，然后再用干麻袋、草袋覆蓋，上面再加上彩條布覆蓋，完畢澆水養(yǎng)護(hù)。

5.2 溫度監(jiān)測(cè)及后期養(yǎng)護(hù)

5.2.1 混凝土的養(yǎng)護(hù)

轉(zhuǎn)換板高為1.6m，故混凝土的養(yǎng)護(hù)十分重要，只有充分濕養(yǎng)護(hù)才有利于混凝土膨脹效能的發(fā)揮，因此在施工過(guò)程中設(shè)立了專(zhuān)職養(yǎng)護(hù)人員，建立嚴(yán)格的混凝土養(yǎng)護(hù)制度。混凝土終凝后保濕養(yǎng)護(hù)14d?；炷潦掌胶?，再灑水潤(rùn)濕，混凝土表面采用兩層草袋、一層干麻袋另加一層薄膜養(yǎng)護(hù)，在養(yǎng)護(hù)期間噴灑霧狀水保持環(huán)境相對(duì)溫度在80%以上，以減小混凝土干縮。

5.2.2 混凝土的溫度監(jiān)測(cè)

1）溫差監(jiān)測(cè)預(yù)警值以混凝土內(nèi)外溫差接近25℃或溫度陡降大于10℃為準(zhǔn)，在轉(zhuǎn)換板混凝土內(nèi)外溫差接近25℃時(shí)，溫控檢測(cè)人員將及時(shí)通知相關(guān)人員，準(zhǔn)備實(shí)施應(yīng)急處理措施。

2）埋設(shè)測(cè)溫元件時(shí)，將元件按照測(cè)點(diǎn)縱向布置用扎絲固定在鋼筋上，鋼筋按照測(cè)區(qū)豎向固定在轉(zhuǎn)換板的鋼筋上，綁扎過(guò)程中應(yīng)保證測(cè)溫元件和鋼筋不發(fā)生位移。

3）在埋設(shè)元件后，派專(zhuān)人負(fù)責(zé)施工和溫度檢測(cè)過(guò)程中元件和線路的保護(hù)工作。

4）當(dāng)混凝土內(nèi)外溫差超過(guò)25℃或溫度陡降大于10℃時(shí)，為保證轉(zhuǎn)換板大體積混凝土的施工質(zhì)量，可在側(cè)面和頂面加蓋麻袋等保溫措施；如果仍然出現(xiàn)溫差過(guò)大或溫度陡降的情況，可在混凝土表面架設(shè)碘鎢燈。根據(jù)轉(zhuǎn)換板的形狀、尺寸和標(biāo)高，1，2號(hào)樓各布置6個(gè)測(cè)溫區(qū)，3，4號(hào)樓各布置5個(gè)測(cè)溫區(qū)，各測(cè)區(qū)沿豎向布置3個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，這里對(duì)2號(hào)樓進(jìn)行研究。

測(cè)溫所用的儀器主要有手持式數(shù)字溫度測(cè)量?jī)x和溫度傳感器。測(cè)溫點(diǎn)的布置必須具有代表性和可比性。沿澆筑的高度，應(yīng)布置在底部、中部和表面。垂直測(cè)點(diǎn)間距一般為500mm～800mm；平面則應(yīng)布置在邊緣與中間，平面測(cè)點(diǎn)間距一般為2.5m～5m。由于轉(zhuǎn)換板的長(zhǎng)度和寬度均遠(yuǎn)大于厚度，所以從邊緣和角點(diǎn)向內(nèi)進(jìn)去2倍厚度以上區(qū)域的散熱條件都比較一般，主要是靠上表面的輻射、對(duì)流和基底傳導(dǎo)方式散熱，因此有著極其相近的溫度場(chǎng)分布；而邊緣和角點(diǎn)區(qū)域由于散熱途徑的增多，可能是3面甚至4面散熱，溫度場(chǎng)分布趨于復(fù)雜。根據(jù)這一特點(diǎn)，并考慮矩形板的對(duì)稱(chēng)性，在轉(zhuǎn)換板內(nèi)，沿平面共布置（1～6）6個(gè)測(cè)點(diǎn)；厚度方向，在每個(gè)平面測(cè)點(diǎn)上下表面及中間分別布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)。這樣，共6×3=18個(gè)混凝土溫度測(cè)點(diǎn)，外加1個(gè)大氣溫度測(cè)點(diǎn)，就能比較準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)整個(gè)轉(zhuǎn)換板內(nèi)混凝土溫度場(chǎng)的分布變化情況。

6 結(jié)語(yǔ)

本文討論的只是建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一部分內(nèi)容，轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)，還有許多需要研究的地方，有待進(jìn)一步從實(shí)踐中論證。隨著現(xiàn)代高層建筑平面復(fù)雜多樣化，在對(duì)轉(zhuǎn)換層進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際情況選擇合適的方法，才能達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)的綜合效果。

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