淺析建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

孫未然

摘要：本文闡述了高層建筑轉(zhuǎn)換層概念及高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的主要特點(diǎn)，就轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)原則和主要結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析，并對設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)過程中的幾個(gè)主要問題作重點(diǎn)探討，希望有所指導(dǎo)和幫助。

關(guān)鍵詞：建筑轉(zhuǎn)換層；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1 建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的概念

就高層建筑來說，在其轉(zhuǎn)換層的設(shè)置過程中必然應(yīng)對轉(zhuǎn)換層形式加以合理選擇，在布置結(jié)構(gòu)的同時(shí)利用加強(qiáng)主要構(gòu)件的設(shè)計(jì)來提高結(jié)構(gòu)整體安全性能。高層建筑由于結(jié)構(gòu)自重原因?qū)е缕湎虏繕菍映惺茌d荷極為龐大，而上部樓層承受載荷則相對較小，因而其結(jié)構(gòu)布置一般應(yīng)為下部柱網(wǎng)密、墻體多、剛度較大；上部柱、墻數(shù)量則逐漸減少，減小柱網(wǎng)密度。這種正常結(jié)構(gòu)布置恰恰與建筑功能空間需求相悖。所以，在設(shè)計(jì)過程中為與建筑功能需求相適應(yīng)，設(shè)計(jì)師通過“反常規(guī)設(shè)計(jì)“解決了這一矛盾，即下部設(shè)計(jì)較大空間，上部則設(shè)計(jì)較小空間；將具有較大剛度的剪力墻布置在上部，剛度較小的框架柱則布置在下部。而要想實(shí)現(xiàn)上述結(jié)構(gòu)布置，用于結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件——轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)必不可少。

現(xiàn)代高層建筑大多是具備辦公、購物、娛樂、停車、餐飲以及住宅等多項(xiàng)功能的綜合性建筑，此類建筑中轉(zhuǎn)換層的應(yīng)用較為普遍。在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)以工程實(shí)際情況為依據(jù)，并考慮驗(yàn)算中不明確的受力狀態(tài)，確保設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性、合理性以及全面性，最大程度地降低施工難度與風(fēng)險(xiǎn)，以此實(shí)現(xiàn)建筑成本投資的有效控制，節(jié)約能源消耗，使建筑單位面積利用率最大化，同時(shí)為居住著提供便宜、舒適的工作條件與生活環(huán)境，從而更好地與快節(jié)奏、高效率的現(xiàn)代化生活相適應(yīng)。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的主要特點(diǎn)

近年來高層建筑發(fā)展迅速，建筑朝體型復(fù)雜、功能多樣的綜合性方向發(fā)展，因而相應(yīng)的結(jié)構(gòu)形式也復(fù)雜多樣。后來陸續(xù)開始在高層住宅底層設(shè)置生活福利設(shè)施，并且開始大量興建集吃、住、辦公、購物、停車等為一體的多功能綜合性高層建筑，尤其是在城市主干道兩側(cè)，并已成為現(xiàn)代高層建筑的一大趨勢。高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層具有以下幾方面的特點(diǎn)：

2.1 轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件需要承受其上部結(jié)構(gòu)所傳下來的巨大豎向荷載或懸掛下部結(jié)構(gòu)的多層荷載，使得轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力很大，豎向荷載成了控制轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)的主要因素。

2.2 轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件通常具有數(shù)倍于上部結(jié)構(gòu)的跨度，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件的豎向撓度成為嚴(yán)格控制的目標(biāo)。因此為保證轉(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。

2.3 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)來進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。

3 幾種主要的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式

3.1 梁式轉(zhuǎn)換層。梁式轉(zhuǎn)換層具有直接而明確的傳力途徑，當(dāng)承托層數(shù)相對較多、跨度較大時(shí)，其截面高度一般取1.6～4.0m為宜；若承托層數(shù)較少、跨度較小時(shí)截面高度則以0.9～1.4m為佳。梁式轉(zhuǎn)換層構(gòu)造簡單，施工快捷，具有可靠的工作性能，其轉(zhuǎn)換梁具有良好的受力性能。此外其結(jié)構(gòu)計(jì)算也較為簡單。

3.2 桁架式轉(zhuǎn)換層。桁架式轉(zhuǎn)換層同樣也具有清楚的傳力途徑。施工過程中可選擇輕質(zhì)建筑材料用于節(jié)間填充，從而有利于控制結(jié)構(gòu)自重。與此同時(shí)，與轉(zhuǎn)換梁相比，其抗側(cè)力剛度明顯更小，因而經(jīng)梁式轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)處理的高層建筑地震反應(yīng)明顯要強(qiáng)于應(yīng)用桁架式轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)的高層建筑。桁架式轉(zhuǎn)換層施工與構(gòu)造都相對復(fù)雜，但轉(zhuǎn)換桁架有利于轉(zhuǎn)換層空間的充分利用，從而在管道和開洞大小、位置的設(shè)置方面更為靈活。此外根據(jù)實(shí)際施工可知，與梁式轉(zhuǎn)換層相比，桁架式轉(zhuǎn)換層施工用料及成本更為節(jié)約。

3.3 板式轉(zhuǎn)換層。板式轉(zhuǎn)換層受力較為復(fù)雜，傳力不明確，其上下相鄰兩層承受作用力較大。考慮到抗沖切和抗剪因素，在地震作用下容易出現(xiàn)較為強(qiáng)烈的反映。板式轉(zhuǎn)換層的板厚度通常在2.0～2.8m范圍內(nèi)，其結(jié)構(gòu)計(jì)算較為困難，且在施工過程中上部結(jié)構(gòu)布置存在困難，導(dǎo)致混凝土用量較大。而本身承受載荷較大，在設(shè)計(jì)下部構(gòu)件時(shí)其承載力要求也隨之提高，因而需要三向配筋。

4 建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的若干問題

4.1 配合建筑專業(yè)。在高層建筑設(shè)計(jì)過程中選擇轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式時(shí)必須配合建筑專業(yè)，以此來適應(yīng)建筑需求。首先是選擇轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式應(yīng)結(jié)合建筑外觀，比如拱式轉(zhuǎn)換、巨型框架等受力性能良好，同時(shí)還較好地適應(yīng)了建筑外觀需求；其次是轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)必須為實(shí)現(xiàn)建筑功能而服務(wù)。在實(shí)際工程中轉(zhuǎn)換層通常由設(shè)備層兼之，這種情況下轉(zhuǎn)換層應(yīng)預(yù)留出足夠通過設(shè)備管道的空間，若洞口尺寸大于開孔梁設(shè)計(jì)允許范圍時(shí)，則梁式轉(zhuǎn)換層應(yīng)由空腹或者實(shí)心桁架轉(zhuǎn)換層取代。

4.2 避免高位轉(zhuǎn)換，盡量低位轉(zhuǎn)換。通常來說，需要設(shè)置轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)都較為復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)在一定程度上存在豎向剛度突變，同時(shí)轉(zhuǎn)換層鄰近區(qū)域的變位、內(nèi)力以及剛度都可能存在突變，進(jìn)而構(gòu)成薄弱層，不利于高層建筑整體抗震性能的提高。因而轉(zhuǎn)換層位置的設(shè)置應(yīng)遵循宜低不宜高的原則，將轉(zhuǎn)換層層位盡量降低，特別是抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一般應(yīng)取三層以下，最高不應(yīng)大于六層，盡量避免高位轉(zhuǎn)換。

4.3 力求上下軸網(wǎng)部分對齊。當(dāng)結(jié)構(gòu)上下部軸網(wǎng)均出現(xiàn)錯(cuò)位時(shí)，則只能選用厚板式作為轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式。在各類轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式中，厚板式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)最多。此類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度較高，受力性能較差，施工困難，且難以控制施工成本，與其他轉(zhuǎn)換層（如梁板式轉(zhuǎn)換層）相比缺乏經(jīng)濟(jì)性。因而應(yīng)確保上下軸網(wǎng)之間部分對齊，同時(shí)兩部分軸網(wǎng)對齊部分越多，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)時(shí)就越簡單，整體結(jié)構(gòu)就具有更為明確的受力和更佳的經(jīng)濟(jì)效果。

4.4 合理布置剪力墻與框支柱。對于高層建筑來說，在設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層后無論選擇哪種結(jié)構(gòu)體系，剪力墻部分與地面接觸是必須保證的；轉(zhuǎn)換層下部框支柱應(yīng)保持疏密均勻的柱距，剪力墻與框支柱之間的距離通常應(yīng)不應(yīng)超出12m。在轉(zhuǎn)換層上方，應(yīng)選擇大開間方案布置剪力墻。同時(shí)對下部進(jìn)行強(qiáng)化，確保下部結(jié)構(gòu)剛度、延性以及強(qiáng)度足夠，并具有良好的抗震能力。保持轉(zhuǎn)換層平面的規(guī)則性，確保轉(zhuǎn)換大梁的剛度以及出平面外部分的穩(wěn)定性。

4.5 合理選擇轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)剛度。在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)過程中，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)剛度的設(shè)定是設(shè)計(jì)人員所要解決的重要問題。若轉(zhuǎn)換層具有較大的結(jié)構(gòu)剛度，則結(jié)構(gòu)豎向剛度增大，引起地震反應(yīng)，上下部轉(zhuǎn)換層受力狀態(tài)則更為不利；此外又增加了材料用量，其結(jié)構(gòu)也缺乏經(jīng)濟(jì)性。而過小的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)剛度則會導(dǎo)致上部框支部分豎向構(gòu)件同鄰近豎向構(gòu)件之間出現(xiàn)沉降差，進(jìn)而導(dǎo)致次應(yīng)力較為明顯，需要增加配筋。

5 結(jié)束語

在當(dāng)前的各類高層建筑中，由于建筑功能需求等原因，設(shè)計(jì)人員需要設(shè)置轉(zhuǎn)換層用于上下樓層不同結(jié)構(gòu)體系的轉(zhuǎn)換，從而出現(xiàn)各種各樣的轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)方案，本文對建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)問題展開分析研究，希望有所指導(dǎo)和幫助。

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