關(guān)于高層轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計探討

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摘要：結(jié)構(gòu)安全一直是建筑行業(yè)內(nèi)討論的問題之一。隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，人們對于建筑的大空間、多功能等有了更高的要求。因而出現(xiàn)了轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。本文根據(jù)工程案例，對轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計進行探討。

關(guān)鍵詞：高層建筑；轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)

當(dāng)今建筑業(yè)為了適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展的需求，不斷地改進自己的設(shè)計技術(shù)，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計革新技術(shù)也隨著時代的進步迅速發(fā)展，對于建筑物的安全性能及使用功能的要求也日益復(fù)雜化，建筑結(jié)構(gòu)常常需要采用結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層來完成上、下層建筑物結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，一般結(jié)構(gòu)層相比，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)重量大、結(jié)構(gòu)層剛度大、幾何尺寸超大、受力復(fù)雜等特點。這意味著轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)組成了建筑物的主要構(gòu)件，它們的設(shè)計是否合理、安全、經(jīng)濟對整個結(jié)構(gòu)的安全性、結(jié)構(gòu)造價、施工費用等有著重要的影響。通過時鋼桁架轉(zhuǎn)換層高層建設(shè)結(jié)構(gòu)體系的工程實例的分析，從結(jié)構(gòu)選型的確定等方面進行系統(tǒng)的研究。以得到一些對設(shè)計有實際指導(dǎo)意義的結(jié)論。

1.轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)的構(gòu)造要求

結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅是對建筑物本身功能的設(shè)計，還關(guān)系到建筑物的建設(shè)成本，這就需要設(shè)計人員優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，降低建設(shè)成本。其優(yōu)化目標就是實現(xiàn)建筑的本體功能性、安全性、經(jīng)濟性與環(huán)保性。為了實現(xiàn)這一目標，未來的從事結(jié)構(gòu)設(shè)計者將遵循功能性、安全性、經(jīng)濟性、環(huán)保性四位一體的設(shè)計思路，真正實現(xiàn)未來建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級，為人類提供一個更好的物質(zhì)生存與發(fā)展環(huán)境。

轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)應(yīng)按“強化轉(zhuǎn)換層及其下部、弱化轉(zhuǎn)換層上部”的原則，使轉(zhuǎn)換層上下主體結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度盡量接近，平滑過渡?？拐鹪O(shè)計時?？刂妻D(zhuǎn)換層上下主體的結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度，當(dāng)轉(zhuǎn)換層設(shè)置在3 層及 3 層以上時。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%。將轉(zhuǎn)換桁架置于整體空間結(jié)構(gòu)中進行整體分析。此時，腹桿作為柱單元。上、下弦桿作為梁單元，按空間協(xié)同工作，三維空間分析程序計算整體的內(nèi)力和位移。計算時，轉(zhuǎn)換桁架按實際桿件布置參與整體分析，但上、下弦桿的軸向剛度、彎曲剛度中應(yīng)計入樓板的作用。整體結(jié)構(gòu)計算需采用兩個以上不同力學(xué)模型的程序進行抗震計算。還應(yīng)進行彈性時程分析并宜采用彈塑性時程分析校核。轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)按轉(zhuǎn)換層“強斜腹桿，強節(jié)點”。桁架轉(zhuǎn)換層上部框架結(jié)構(gòu)接“強柱弱梁、強邊柱弱中柱”的原則，以保證轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)具有較好的延性，確保塑性餃在梁端出現(xiàn)，能夠滿足工程抗震的要求。轉(zhuǎn)換桁架的相鄰層樓板宜雙向雙層配筋，每個方向貫通鋼筋的配筋率不宜小于 0.25%，且在樓板邊緣、孔洞邊緣應(yīng)結(jié)合邊粱設(shè)置予以加強。轉(zhuǎn)換桁架上、下弦桿的配筋應(yīng)加上樓板平面內(nèi)彎曲計算引起的附加鋼筋。

2.轉(zhuǎn)換層商層建筑結(jié)構(gòu)實例分析

對于大跨度的桁架轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的受力。各方面的影響因素較多，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力情況比較復(fù)雜，對它的受力影響因素進行探討具有實際意義，可為實際工程的設(shè)計與施工提供理論依據(jù)。因此，通過對大跨度鋼桁架轉(zhuǎn)換層的受力影響因素進行分析，認識鋼桁架轉(zhuǎn)換層的受力特點。以期充分利用鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力性能好的特點，使其承擔(dān)較多的荷載作用。以調(diào)整端部混凝土結(jié)構(gòu)的受力，減少混凝土結(jié)構(gòu)的荷載作用，使整個結(jié)構(gòu)體系的受力更為合理。下面結(jié)合工程實例分析高層轉(zhuǎn)換桁架的受力影響因素及其受力特點，某高層建筑為地上 24層，地下 2 層，總建筑面積 72788m2，其中地上 58300m2，地下 14488m2。平面長 92.1M，寬 49M。結(jié)構(gòu)檐口標高為 108.80m，中間有電梯、樓梯、機房等的高層建筑。

2.1梁式轉(zhuǎn)換與鋼桁架轉(zhuǎn)換的比較確定

與最為常見的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形式粱式轉(zhuǎn)換相比，本例中轉(zhuǎn)換粱的跨度很大而且上部荷載較大，采用梁式的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換梁的截面必然很大，一方面導(dǎo)致轉(zhuǎn)換梁下部空間無法再利用、自重大、配筋多、不經(jīng)濟等缺點；另一方面導(dǎo)致沿豎向結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度分布在轉(zhuǎn)換層的變化不連續(xù)。發(fā)生突變，對結(jié)構(gòu)的整體抗震性能不利。因此，需要另一種形式的轉(zhuǎn)換構(gòu)件來解決這個問題，而轉(zhuǎn)換桁架具有傳力明確，傳力途徑清楚，雖構(gòu)造和施工復(fù)雜，但轉(zhuǎn)換桁架不僅為開洞和設(shè)置管道創(chuàng)造了條件，而且它們的位置與大小都有很大的靈活性，可以充分利用該轉(zhuǎn)換層的建筑空間，而且桁架轉(zhuǎn)換層的節(jié)間采用輕質(zhì)建筑材料填充甚至可以外露不填充，有利于減輕結(jié)構(gòu)的自重；轉(zhuǎn)換桁架的抗側(cè)力剛度比轉(zhuǎn)換粱要小，也就是說。具有桁架轉(zhuǎn)換層的高層建筑其質(zhì)量和剛度的突變要比帶轉(zhuǎn)換粱的高層建筑緩和。因此帶轉(zhuǎn)換桁架的高層建筑其地震反應(yīng)要比帶轉(zhuǎn)換梁的高層建筑小得多，由此可見，在本例工程的三層轉(zhuǎn)換構(gòu)件采用轉(zhuǎn)換大粱的結(jié)構(gòu)形式是不合適的，而采用轉(zhuǎn)換桁架的結(jié)構(gòu)形式將很好的避免了上述的多個問題且將節(jié)約混凝土用量近30%。將是一個較為合理正確的選擇。

2.2轉(zhuǎn)換桁架的具體形式的確定

在本例工程的三層轉(zhuǎn)換構(gòu)件采用確定桁架結(jié)構(gòu)后，設(shè)計人員則需要進一步確定桁架的結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)前面的論述，轉(zhuǎn)換桁架的結(jié)構(gòu)形式有多種，但是根據(jù)本例工程的三層轉(zhuǎn)換構(gòu)件的具體情況，采用何種最合理的結(jié)構(gòu)形式，則必須加以比較分析后方可確定。

2.2.1單層轉(zhuǎn)換桁架與雙層轉(zhuǎn)換桁架的確定

采用桁架結(jié)構(gòu)作為高層建筑的轉(zhuǎn)換構(gòu)件時，一般情況是取出一層層高的高度作為轉(zhuǎn)換桁架的高度。對于本項目，轉(zhuǎn)換桁架位于結(jié)構(gòu)的邊緣，建筑師為了使轉(zhuǎn)換桁架對于立面的影響降至最小，希望桁架僅在中庭設(shè)置，即取一層高度（4.00m）作為轉(zhuǎn)換桁架的高度。在本例中各層的層高情況分別是：底層：6.44ml，二層：4.80m，三層以上：4.00mt，而結(jié)構(gòu)的柱距為 9.0m，若僅取 4.00m 為桁架高度時，在柱與柱之間必須另設(shè)一個桁架節(jié)點以保證桁架斜腹桿與水平弦桿的角度在合理的450～550 之間。若取建筑的兩層層高即 8.00m 為轉(zhuǎn)換桁架的高度，則在柱與柱之間可以不必設(shè)置多余的桁架節(jié)點，使桁架的結(jié)構(gòu)形式趨于簡單。

2.2.2空腹桁架、斜桿桁架、無豎桿桁架的比較確定

作為高層建筑中的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)一桁架結(jié)構(gòu)有如下的主要結(jié)構(gòu)形式：空腹桁架、交叉斜桿桁架、無豎桿的交叉斜桿桁架。作為一種相對獨立的結(jié)構(gòu)形式，無論采用何種結(jié)構(gòu)形式。應(yīng)該說都是可以實現(xiàn)的。對于建筑師來說，空腹桁架如果在構(gòu)件尺寸可以接受的條件下。當(dāng)然是首選，當(dāng)然，采用無豎桿的交叉斜桿桁架形式，結(jié)構(gòu)上可以使桁架的構(gòu)造節(jié)點趨于簡單，在建筑師看來，也可以接受。

2.2.3單跨桁架與多跨桁架的確定

在確定了以交叉斜桿桁架作為本次項目的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式后，結(jié)構(gòu)工程師尚發(fā)現(xiàn)在這個計算模型中的框架柱的內(nèi)力較大。作為抗震設(shè)計“強柱弱梁”的一般設(shè)計原則，框架柱中的內(nèi)力相對越大，則在柱中率先出現(xiàn)塑性鉸的可能性將越大。而在模型計算中同樣可以發(fā)現(xiàn)，Z2 的內(nèi)力較大。而作為相鄰的柱 Z1 的內(nèi)力則相對較小，尚有較大潛力。

綜上所述，采用將轉(zhuǎn)換桁架向外延伸一跨的做法，可以使本次工程的轉(zhuǎn)換桁架各構(gòu)件的內(nèi)力分布更為合理，也即是說，采用向外延伸一跨轉(zhuǎn)換桁架的結(jié)構(gòu)形式在本次工程中是較為合理的選擇。

3.結(jié)論

在大跨度、大荷載條件下應(yīng)用桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)將比采用梁式轉(zhuǎn)換更合理，且可以節(jié)約混凝土用量近 30%，用鋼量可節(jié)約20%。在采用桁架結(jié)構(gòu)作為工程的轉(zhuǎn)換構(gòu)件時，帶豎桿的斜桿桁架中各構(gòu)件的內(nèi)力較為接近，可以取得較為一致美觀而又經(jīng)濟的截面，而不帶豎桿的斜桿桁架中各構(gòu)件的內(nèi)力差別較大，最大將達40%左右。總之，隨著建筑業(yè)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)設(shè)計成為繁重而責(zé)任重大的工作，不但關(guān)系到建筑結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，而且關(guān)系到建筑的適用性和經(jīng)濟性。從而，設(shè)計人員在工作中應(yīng)事無巨細，善于反思和總結(jié)工作中的經(jīng)驗和教訓(xùn)，才能將設(shè)計工作做好。