帶轉換層高層建筑的結構設計

摘要：隨著城市的發(fā)展，對高層建筑用途要求多，往往底層用作商場、餐館等，中間層用作寫字間，上層用作住宅或者旅館。這種布局要求在底層布置大空間，頂層布置小空間，這恰恰與結構布置的常規(guī)方式相反，為了保證結構構件傳力的合理，要在結構體系變換的樓層處設置轉換層。文章探討了高層建筑轉換層的定義，設計原則及應注意的問題。

關鍵詞：高層建筑；轉換層；結構設計

現(xiàn)代高層建筑向多功能和綜合用途發(fā)展，在同一豎直線上，不同用途的樓層，需要大小不同的開間，采用不同的結構形式。建筑要求上部小開間的軸線布置、較多的墻體，中部辦公用房要小的和中等大小的室內空間，下部公用部分，則希望有盡可能大的自由靈活空間，柱網(wǎng)要大，墻盡量少。這種要求與結構的合理、自然布置正好相反，因為結構下部樓層受力很大，即正常應當下部剛度大、墻多、柱網(wǎng)密，到上部逐漸減少。為了滿足建筑功能的要求，結構必須以與常規(guī)方式相反進行布置，上部小空間，布置剛度大的剪力墻，下部大空間，布置剛度小的框架柱。因此在結構中設置轉換結構，以實現(xiàn)結構自上而下的形式，自然過渡軸布置。轉換結構構件所在的樓層是轉換層。

1.轉換層的分類

通過轉換層來實現(xiàn)結構轉換可以分為三大類。上下層結構類型：這種轉換是廣泛用于剪力墻結構和框架的剪力墻結構，它可以將上面的剪力墻轉化成下部的框架，以創(chuàng)建內部很大的自由空間。同時轉換結構軸線位置和結構形式：上部剪力墻結構通過轉換層錯開軸線，形成不對齊的上下結構布置。上、下層軸線、柱網(wǎng)改變：在轉換層，上、下部結構的形式沒有變化，但是通過轉換層，使得下層柱間距擴大，形成大的柱網(wǎng)。常用于外框筒的下面，以形成一個較大的進口。

在實際工程施工中轉換層的結構形式是多種多樣的，帶轉換層的結構形式主要有梁式、柑架式、空腹析架式、箱式和板式。從轉換梁的功能可分為托柱、托墻：從所轉換梁的形式，可分成加腋和不加腋兩種；使用的材料上轉換梁結構可分為鋼骨混凝土和鋼筋混凝土，結構等。從跨數(shù)，可分為單跨，兩跨和多跨；從上部墻體形式，可分為滿跨、非滿跨、開孔、不開孔、開門孔和開窗孔。

當內部要形成大空間，包括結構類型轉變和軸線轉變時，可采用梁式、桁架式、空腹桁架式、箱形和板式轉換層；當框筒結構在底層要形成大的入口，可以有多種轉換層的形式，如梁式、桁架式、墻式、合柱式和拱式等。目前，國內用得最多的是梁式轉換層，它設計和施工簡單，受力明確，一般用于底部大空間剪力墻結構。當上下柱網(wǎng)、軸線錯開較多，難以用梁直接承托時，可以做成厚板或箱式轉換層，但其自重較大，材料耗用較多，計算分析也較復雜。

2.轉換層在高層建筑中的布置及設計原則

2.1轉換層在高層建筑中的布置原則

轉換結構可以根據(jù)其建筑結構、功能、傳力的需要，沿建筑高度方向的一處或多處靈活設置（或者在樓層局部位置設置轉換層），使自身的這個空間既可以作為正常使用的樓層，也可以作為技術裝備層，但必須保證轉換層的剛度，以防止沿豎向剛度不合理。當建筑物整體剛度不足，可以在結構豎向的部位設置加強層，人為地加強結構的彎曲效應，這時轉換層可同建筑物的設備層、加強層等統(tǒng)一考慮。對框支剪力墻建筑結構，其轉換層設置的位置，7度地震區(qū)不宜超過第5層；8度地震區(qū)不宜超過第三層。轉換層位置超過上述規(guī)定時，應采取有效措施。沿建筑方向轉換高層建筑可分段結構排列，形成一個大框架套小框架的框架結構；錯列墻梁或是桁架式框架結構；也可設置于建筑物 頂部，懸掛下部結構的荷載。

2.2帶轉換層的高層建筑結構設計原則

高層建筑中轉換層的設置容易造成建筑物豎向剛度的變化，在受到地震作用時轉換層結構上下容易形成薄弱環(huán)節(jié)，對抗震不利，所以轉換層結構設計應遵循以下原則：

（1）轉換層結構的計算要全面，準確。將轉換結構作為整體結構的一個重要組成部分，采用符合實際受力變形狀態(tài)的計算模型進行三維空間整體結構計算分析，有限元方法可用于局部的結構轉換補充計算。

（2）布置轉換層上下主體豎向結構時，注意使盡可能多的上部豎向結構能向下落地連續(xù)貫通，尤其框架核心筒結構中核心筒應上下貫通.這樣對結構抗震更有利。必須控制框支剪力墻和剪力墻的比值，當考慮地震時，橫向落地剪力墻數(shù)目與橫向墻總數(shù)比值應高于50%，非抗震時應大于30%。

（3）為了防止沿軟弱層形成的豎向剛度太大的變化，應考慮在設計上做出，上下剛度比γ≤2，越接近1，這樣才能保證垂直剛度結構不會有太大變化，使上柱具有良好的抗側力性能，有利于整體受力結構豎向剛度變化。

（4）。優(yōu)化轉換層結構。選擇具有明確傳力路徑的轉換層結構型式，以便于結構分析設計和保證施工質量。

（5）設計時應考慮轉換層的剛性，一般應梁高不超過1/6的梁跨度，以確保在轉換層和下部構件內力的合理分配，轉換梁，剪力墻有很好的受力性能，可以更好地發(fā)揮結構轉型中的作用。

（6）轉換層上面的剪力墻和柱子應對稱的布置，梁上的立柱應盡可能設在轉換層梁的跨中，以免在梁變形時，轉換梁上立柱的柱腳處會產生轉角，使立柱的柱腳位置產生較大的變形，導致柱的彎曲及剪切，造成立柱內力過大而超筋。

（7）為了確保大的結構體的下部空間合適的整體剛度，強度，延展性和抗震性，轉換層應當加強下部結構，上部的結構剛性弱化，從而使轉換層的主體結構的變形特性和剛度盡可能接近。通常使用加大轉換層下部主體結構豎向構件（主要是核心筒體）截面尺寸、提高其混凝土強度等級、增設剪力墻等方法來增強下部主體結構的剛度。

（8）在高層建筑垂直方向轉換層結構的位置不宜過高。如果轉換層位置過高，容易造成轉換層附近的框支剪力墻結構在傳力途徑、內力和剛度發(fā)生變化，并容易形成薄弱區(qū)，這樣對于抗震設計來說是不利的。如果非要采用高位置轉換時，應考慮下部框支結構的轉換層等力剛度，這對于降低轉換層附近的層間位移角及內力變化是非常必要的，效果也很突出。另外，對落地剪力墻間距的限制要嚴格于底層框支剪力墻結構。對長矩形的平面建筑，落地剪力墻的數(shù)目應超過全部橫向剪力墻數(shù)目的一半。

3.高層建筑結構轉換層設計時應注意的問題

（1）加強轉換層樓板的整體性和剛度，用現(xiàn)澆混凝土樓板，厚度取為200毫米，加強下層樓板的剛度，厚度取為150mm；結構布置對稱盡可能加強樓板厚度和鋼筋的薄弱環(huán)節(jié)；在結構整體分析，考慮對薄弱部位樓板平面內變形對結構受力的影響；通過調整剪力墻的布置方式，確保結構質心和剛心接近，避免造成扭轉；平面盡量布置規(guī)則。

（2）保證大空間層具有足夠的剛度，以防止沿豎向剛度的變化太大，嚴格控制上下轉換層側向剛度比。抗震設計要求時，剛度不低于上層結構側向剛度的70%。根據(jù)“高規(guī)”附錄E來控制上下轉換層結構等效側向剛度比應大于1.0，應不大于1.3。為此應確保一定比例的剪力墻落地，增加的剪力墻的厚度，剪力墻混凝土強度，減少了孔洞的大小，使其盡量連成筒體。

當然，這其中又存在著轉換層結構剛度合理值的問題。當轉換層剛度過大時，一方面引起地震反應和結構豎向剛度的突然增大，使轉換層上下層處于更加不利的受力狀態(tài)，另一方面材料用量增加，結構經濟性不合理。當轉換層剛度過小時，上部框支部分的豎向構件與其它豎向構件之間可能出現(xiàn)較大的沉降差，從而在上部結構中與該部分豎向構件相連的水平構件中產生明顯的次應力，導致其配筋增加。

（3）控制地震作用和風荷載下結構層間位移角，地震作用要滿足規(guī)范對地震基底剪力與重力荷載代表值要求；控制結構底部加強區(qū)剪力墻及其他部分剪力墻、框支柱及非框支柱的軸壓比。

4.結束語

在現(xiàn)代高層建筑的轉換層結構設計中，應注重轉換層結構的概念設計，合理的結構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濟性。

考慮應用功能的多樣化及建筑物結構傳力體系復雜化，在設計時應按規(guī)范要求并根據(jù)現(xiàn)場條件做好分析計算和優(yōu)化設計，盡可能將影響建筑物使用功能的諸多因素考慮進去，以達到科學經濟的設計目的。

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