高層建筑中轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀和發(fā)展

馮義波 李琦

淄博市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 255000

摘要：文章介紹高層建筑轉(zhuǎn)換層的概況，對(duì)轉(zhuǎn)換層的幾種轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行分析比較，探討轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)，提出研究中存在的問(wèn)題，表明轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)推動(dòng)了高層建筑及其結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：高層建筑；轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)換方式

一、概述

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外高層建筑發(fā)展迅速，現(xiàn)代高層建筑越建越高、越建越大，其建筑向著體型復(fù)雜、功能多樣的綜合性方向發(fā)展。在同一座建筑中，沿房屋高度方向的建筑功能要發(fā)生變化，上部樓層布置旅館、住宅；中部樓層作為辦公用房；下部樓層作商店、餐館和文化娛樂(lè)設(shè)施。這種不同用途的樓層需要大小不同的結(jié)構(gòu)形式。

從建筑功能上看，上部需要小開(kāi)間的軸線布置和需要較多的墻體以滿(mǎn)足旅館和住宅的功能要求；中部則需要小的或中等大小的室內(nèi)空間，可以在柱網(wǎng)中布置一定數(shù)量的墻體以滿(mǎn)足辦公用房的功能要求；下部需要盡可能大的自由靈活的室內(nèi)空間，要求柱網(wǎng)大、墻體盡量少，以滿(mǎn)足商店、餐館等公用設(shè)施的功能要求。

從結(jié)構(gòu)受力上看，由于高層建筑結(jié)構(gòu)下部樓層受力很大，上部樓層受力較小，正常的結(jié)構(gòu)布置應(yīng)是下部剛度大，墻體多、柱網(wǎng)密，到上部漸漸減少墻、柱的數(shù)量，以擴(kuò)大柱網(wǎng)。這樣，結(jié)構(gòu)的正常布置與建筑功能對(duì)空間的要求正好相反。因此，為滿(mǎn)足建筑功能的要求，結(jié)構(gòu)必須進(jìn)行“反常規(guī)設(shè)計(jì)”，即將上部布置小空間，下部布置大空間；上部布置剛度大的剪力墻，下部布置剛度小的框架柱。為了實(shí)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)布置，就必須在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的樓層設(shè)置水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件，即轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。

二、轉(zhuǎn)換層的主要轉(zhuǎn)換方式

轉(zhuǎn)換層樓蓋依其受力狀態(tài)的不同可以分為梁式樓蓋轉(zhuǎn)換、箱形樓蓋轉(zhuǎn)換、桁架轉(zhuǎn)換、厚板轉(zhuǎn)換和斜柱轉(zhuǎn)換。

梁式樓蓋：在現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板上布置單向托梁（縱向或橫向）或雙向托梁（縱、橫向）或斜向托梁，以承托在本層落空的上面各層的承重柱或剪力墻。該種轉(zhuǎn)換形式一般用于底部大空間剪力墻結(jié)構(gòu)，當(dāng)需要縱橫向同時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)，采用雙向梁的布置。對(duì)于框筒或筒中筒結(jié)構(gòu)，由于外框筒的柱一般較密，在底部一、二層的出入口處往往不能滿(mǎn)足使用要求，有時(shí)要求把外筒在局部減少，因而形成上層有柱、下層無(wú)柱的情況，有時(shí)出入口不止一處，對(duì)此情況可以在相應(yīng)樓層下做一圈轉(zhuǎn)換大梁，把上部柱的荷載通過(guò)轉(zhuǎn)換大梁傳到下層兩邊的柱上去。

箱形樓蓋：以上、下兩層樓板作為構(gòu)件的上下翼緣，并在其間設(shè)置若干片單向或雙向腹板（豎隔板）后，所形成的箱形水平抗彎構(gòu)件。轉(zhuǎn)換層箱形樓蓋的適用范圍與梁式樓蓋大致相同，即可用于上下層的構(gòu)件類(lèi)型轉(zhuǎn)換，柱網(wǎng)尺寸的擴(kuò)大以及構(gòu)件軸線單向錯(cuò)位等。但是箱形樓蓋具有比梁式樓蓋大得多的承載能力，因此箱形樓蓋特別適用于大跨度以及承托大荷載的柱和墻。

桁架轉(zhuǎn)換：對(duì)于下部是商場(chǎng)、娛樂(lè)設(shè)施而上部是住宅、客房等情況的建筑，一般在客房或住宅與商場(chǎng)之間設(shè)有一個(gè)管道設(shè)備層，可以利用設(shè)備層的空間根據(jù)上、下柱網(wǎng)軸線的位置設(shè)置桁架。桁架上部的柱或墻的荷載通過(guò)桁架傳到下部較大間距的柱或墻上，而設(shè)備管道又可以在桁架的腹內(nèi)穿行。

厚板轉(zhuǎn)換：當(dāng)結(jié)構(gòu)上、下柱網(wǎng)軸線錯(cuò)開(kāi)較多，難以用梁直接承托時(shí)，可以做成厚板，形成板式承臺(tái)轉(zhuǎn)換層，板式轉(zhuǎn)換層的下層柱網(wǎng)可以靈活布置，無(wú)須與上層結(jié)構(gòu)對(duì)齊。厚板厚度要視柱網(wǎng)尺寸及上部荷載而定，但是這種轉(zhuǎn)換層體系自重很大，材料耗用較多。厚板樓蓋雖然外形比較簡(jiǎn)單，但是由于它很厚，其厚度有時(shí)達(dá)到3.0m，自重很大，差不多等于20層一般樓蓋的自重，對(duì)抗震不利。在地震作用下，這樣大的質(zhì)量必將引起很大的水平地震作用，而且是作用于一個(gè)樓層的水平集中力，它會(huì)使下面樓層的層間側(cè)移變得較大。此外，由于厚板樓益的水平剛度和豎向剛度均很大，相比之下，使得上、下樓層因?qū)娱g抗推剛度顯得較小，而變成“相對(duì)柔弱層”。從而加劇其上、下樓層的塑性變形集中效應(yīng)，進(jìn)一步加大上、下樓層的層間側(cè)移值，以致降低這些樓層的結(jié)構(gòu)抗震可靠度，加重其破壞程度。因此，對(duì)于地震區(qū)的高樓，轉(zhuǎn)換層要慎用厚板樓蓋。萬(wàn)不得已必須采用厚板樓蓋時(shí)，一定要采取措施提高其上下各樓層的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形能力。

斜柱轉(zhuǎn)換：斜柱轉(zhuǎn)換是一種可在大量超高層、高層建筑中推廣采用的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形式。它是桁架轉(zhuǎn)換中最簡(jiǎn)單的一種，采用它將會(huì)改變轉(zhuǎn)換層不便使用的概念，將目前巨型梁轉(zhuǎn)換僅能供作管道層改為可進(jìn)行營(yíng)運(yùn)的有效使用面積，變“死”空間為活空間，使轉(zhuǎn)換層具有了更大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

三、轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)

上世紀(jì)70年代中期，國(guó)內(nèi)開(kāi)始嘗試使用底層大開(kāi)間剪力墻結(jié)構(gòu)（即梁式轉(zhuǎn)換層），轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用發(fā)展迅猛，工程實(shí)際中轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用正朝著形式多樣、方法多樣以及結(jié)構(gòu)受力更有利的方向發(fā)展。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（一）鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換層的應(yīng)用

由于建筑朝著高層和超高層形式發(fā)展，相應(yīng)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)換構(gòu)件承托的層數(shù)也增多；同時(shí)，又由于建筑功能對(duì)層高及空間的種種要求和限制，這使得工程應(yīng)用中鋼骨混凝土材料的引入勢(shì)在必行。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、抗震性能也優(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，加快施工進(jìn)度。目前，國(guó)內(nèi)采用鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換構(gòu)件的實(shí)際工程還不多，但國(guó)外采用則較多。

（二）預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換層的應(yīng)用

采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)可帶來(lái)許多結(jié)構(gòu)和施工上的優(yōu)點(diǎn)，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。隨著我國(guó)預(yù)應(yīng)力技術(shù)的發(fā)展，預(yù)應(yīng)力材料及施工費(fèi)用不斷下降，即使用材料等強(qiáng)代換的概念從經(jīng)濟(jì)上來(lái)比較預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，許多情況下后者并不比前者經(jīng)濟(jì)。

（三）轉(zhuǎn)換梁受力性能的改善

實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，轉(zhuǎn)換梁的截面尺寸通常是由它的抗剪承載力要求來(lái)確定的，截面尺寸往往較大，由于梁很強(qiáng)，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(qiáng)梁弱柱的現(xiàn)象，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震不利；另一方面，采用轉(zhuǎn)換梁也或多或少會(huì)影響該層的使用空間；對(duì)外筒的轉(zhuǎn)換，采用轉(zhuǎn)換梁會(huì)對(duì)該層的通風(fēng)、采光等不利，若開(kāi)設(shè)洞口，則會(huì)產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。因此，尋求新的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形式和改善轉(zhuǎn)換梁受力性能的有效措施有其必要性。

四、轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)研究的幾個(gè)問(wèn)題

（一）帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能和抗震設(shè)計(jì)方法的研究

高層建筑中，由于設(shè)置了轉(zhuǎn)換層，建筑物高度方向剛度的均勻性受到了很大的破壞，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)豎向承力構(gòu)件不連續(xù)和墻、柱截面的突變，導(dǎo)致了傳力路線曲折、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。目前有關(guān)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性和抗震性能的研究還不多，現(xiàn)行規(guī)范中也沒(méi)有給出明確的條款，如何準(zhǔn)確建立高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)地震作用的計(jì)算模式有待進(jìn)一步研究。

（二）轉(zhuǎn)換層上、下層結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比的描述方法和合理剛度比的研究

目前轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比是按樓層剪切剛度比來(lái)控制的，但存在著考慮豎向構(gòu)件的布置位置不同，對(duì)層剛度的貢獻(xiàn)是不同的，而樓層剪切剛度比并沒(méi)考慮豎向構(gòu)件的布置問(wèn)題；同時(shí)還存在特殊結(jié)構(gòu)布置情況下剪切面積取值不明確等問(wèn)題。因此，采用何種剛度指標(biāo)來(lái)描述轉(zhuǎn)換層上、下層結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比的變化以及取值范圍等有待研究。

（三）轉(zhuǎn)換層樓板平面的內(nèi)力和變形問(wèn)題

目前，實(shí)際工程設(shè)計(jì)中采用的高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算分析程序均采用了樓板在自身平面內(nèi)剛度為無(wú)窮大的假定，這一假定使得位于樓板平面的桿件無(wú)法直接計(jì)算其軸向變形和桿件的軸向內(nèi)力。但試驗(yàn)表明，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)不計(jì)算位于樓板平面內(nèi)的變形是不安全的。因此，轉(zhuǎn)換層樓板平面的內(nèi)力和變形問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。

五、結(jié)語(yǔ)

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(dòng)了高層建筑及其結(jié)構(gòu)體系形式的發(fā)展。極大地促進(jìn)了建筑科學(xué)的進(jìn)步。轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式多樣且各具特點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合工程實(shí)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(jì)。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(jì)性。