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

核工業(yè)第五研究設(shè)計(jì)院 河南鄭州 450000

摘要：高層建筑的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層是高層建筑中較為常見的建筑結(jié)構(gòu)，由于轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的特殊功用，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。本文對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行簡單分析。

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

一.引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市建設(shè)和發(fā)展速度越來越快，高層建筑也逐漸成為城市發(fā)展中的主要建筑形式。為滿足建筑功能的多樣性，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層成為高層建筑結(jié)構(gòu)中的重要組成部分。由于轉(zhuǎn)換層的豎向構(gòu)件的不連續(xù)性，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度加大，必須要結(jié)合工程實(shí)際情況，綜合考量，保障結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性。

二、轉(zhuǎn)換層的功能

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的轉(zhuǎn)換層主要起到承上啟下的功能作用，其設(shè)計(jì)對(duì)建筑工程具有相當(dāng)重要的經(jīng)濟(jì)意義與功能意義。根據(jù)建筑各層布局，轉(zhuǎn)換層主要實(shí)現(xiàn)以下幾方面作用：

1、上、下層結(jié)構(gòu)類型轉(zhuǎn)換

轉(zhuǎn)換層將上部剪力墻轉(zhuǎn)換為下部的框架，此結(jié)構(gòu)多用于框—剪和剪力墻結(jié)構(gòu)中，如此便可使得下部結(jié)構(gòu)具有較大的內(nèi)部自由空間。

2、上、下層結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)布置的改變

轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)形式相同，通過它可以使下部結(jié)構(gòu)的柱距擴(kuò)大，形成大柱網(wǎng)空間。多用于商住樓，以形成下部的大空間用于商場、停車場等。

3、同時(shí)轉(zhuǎn)換上、下層結(jié)構(gòu)類型和柱網(wǎng)布置

上部剪力墻結(jié)構(gòu)通過轉(zhuǎn)換層變成框支剪力墻結(jié)構(gòu)的同時(shí)，上部剪力墻的軸線與下部柱網(wǎng)錯(cuò)開，形成上下柱網(wǎng)不對(duì)齊的結(jié)構(gòu)。多用于辦公樓，上部用于小開間辦公室，下部用于停車場或者大廳等。三、高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)形式目前，工程中常見的轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)形式主要有梁式轉(zhuǎn)換、厚板轉(zhuǎn)換、箱型轉(zhuǎn)換、桁架轉(zhuǎn)換。

1.梁式轉(zhuǎn)換

一般用在上、下層柱網(wǎng)和軸網(wǎng)布置較為規(guī)則的底部大空間結(jié)構(gòu)體系中，當(dāng)需求縱橫向同時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)可選用雙向梁或主次梁的布置方法。梁式轉(zhuǎn)換層受力清晰、布局簡單、施工便利，因此被廣泛應(yīng)用，是當(dāng)前在帶轉(zhuǎn)層的高層建筑工程中最常用的一種轉(zhuǎn)換層構(gòu)造形式。但由于轉(zhuǎn)換梁截面尺寸大、自重大，建筑空間不能被充分利用，且容易引起轉(zhuǎn)換層上、下層構(gòu)造的剛度突變，對(duì)抗震不利，因此采用型鋼混凝土梁式轉(zhuǎn)換、預(yù)應(yīng)力混凝土梁式轉(zhuǎn)換及加腋梁式轉(zhuǎn)換。

2.板式轉(zhuǎn)換

一般用在上、下層結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)或軸線錯(cuò)開較多時(shí)的情況，因?yàn)樵谶@種情形下難以用梁直接承托上部結(jié)構(gòu)，所以需要做成厚板，通過厚板來承受結(jié)構(gòu)上部的荷載并傳遞給下部。由于上部荷載較大因而所需要的轉(zhuǎn)換板厚度也較大，大厚板必然導(dǎo)致大自重、大剛度，而這兩點(diǎn)對(duì)于結(jié)構(gòu)抗震十分不利，再加上厚板轉(zhuǎn)換層的理論研究和設(shè)計(jì)依據(jù)尚不太成熟，因而其應(yīng)用也就受到一定限制。

3.箱型轉(zhuǎn)換

一般用在鐵路工程中，在房屋結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用較少。箱型轉(zhuǎn)換層利用單、雙向托梁和上下層樓板的共同作用來完成上部結(jié)構(gòu)荷載到下部結(jié)構(gòu)的傳遞。其平面內(nèi)的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)腹梁，但其自重卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于厚板轉(zhuǎn)換層，這將有利于改善帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。

4.桁架式轉(zhuǎn)換

由多榀桁架共同承受上部結(jié)構(gòu)的荷載，其高度多為一個(gè)層高，上弦桿設(shè)在上層樓板內(nèi)，下弦桿設(shè)下層樓板內(nèi)。桁架轉(zhuǎn)換層受力明確、自重小、抗震性能好，但是轉(zhuǎn)換的桿件節(jié)點(diǎn)受力狀態(tài)復(fù)雜、設(shè)計(jì)難度大、施工較復(fù)雜，因而其實(shí)際應(yīng)用受到限制。

三、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)原則

轉(zhuǎn)換層進(jìn)行科學(xué)合理設(shè)計(jì)不僅能避免建筑資源的浪費(fèi)還能杜絕一定的建筑結(jié)構(gòu)安全隱患，其在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)遵循以下設(shè)計(jì)原則：

1、與建筑專業(yè)相配合

為了滿足建筑的需要，高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式的選擇必須與建筑相互配合。轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)形式通常會(huì)選擇一些能和建筑物的外觀相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)形式，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式不但要具備很好的外觀，同時(shí)在性能上也要能夠滿足建筑正常使用的需要。轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)一定要可以有效的幫助建筑實(shí)現(xiàn)其功能，在實(shí)際的施工中，很多工程都將設(shè)備層當(dāng)做是轉(zhuǎn)換層，這個(gè)時(shí)候，轉(zhuǎn)換層當(dāng)中就必須要有足夠的空間給設(shè)備管道，讓其可以在轉(zhuǎn)換層中通過，如果洞口的尺寸已經(jīng)超出了一個(gè)相對(duì)比較合理的范圍，就應(yīng)該采用空腹或者是實(shí)腹桁架來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換層的功能。2、在轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡量減少結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的豎向構(gòu)件，應(yīng)盡可能的多采用直接接地的構(gòu)件，其能有效避免建筑剛度的減小，對(duì)建筑物抗震性能的提升有著重要的作用。

3、轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)位置不能偏高，應(yīng)盡可能的靠近底層位置。主要是由于建筑框支剪力墻結(jié)構(gòu)的傳力途徑以及剛度發(fā)生變化時(shí)會(huì)直接造成轉(zhuǎn)換層成為薄弱層，很大程度上降低了建筑物的抗震性能。

4、在進(jìn)行轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意傳力路徑的明確性，并且確保轉(zhuǎn)換層的剛度。由于轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)本身起到的是結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換作用，所以應(yīng)保持其自身的受力平衡性。

5、要對(duì)剪力墻以及框支剪力墻的比例進(jìn)行綜合考慮，保證其橫向落地剪力墻的數(shù)目超過橫向墻的50%。

6、在進(jìn)行轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保持其上部柱子和剪力墻的對(duì)稱分布，將梁上立柱設(shè)置在轉(zhuǎn)換梁跨中，從而避免轉(zhuǎn)換梁變形作用下產(chǎn)生的框支柱柱角變形加大。

四、梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中應(yīng)用最為廣泛。大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，有超越一半的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)選用梁式轉(zhuǎn)換層。

梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)是以剪力墻到轉(zhuǎn)換梁，再到轉(zhuǎn)換柱為力的傳導(dǎo)途徑，由于這種傳力途徑的表現(xiàn)形式直接、明確，計(jì)算、分析和設(shè)計(jì)都比較方便，而且施工也比較簡單。但是，如果建筑物的上下軸線的位置布置錯(cuò)位，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中就需要增加轉(zhuǎn)換梁的數(shù)量，導(dǎo)致建筑物的空間受力情況變得更加復(fù)雜，不利于建筑施工。

轉(zhuǎn)換梁的受力情況主要受到傳力的剪力墻的剛度、轉(zhuǎn)換梁自身的剛度以及支撐轉(zhuǎn)換梁的轉(zhuǎn)換柱的剛度影響。因此，為了明確梁式轉(zhuǎn)換層的受力機(jī)理，相關(guān)研究人員以轉(zhuǎn)換梁所承托的層數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)換梁受力的影響為例，應(yīng)用了有限元程序?qū)ζ溥M(jìn)行了分析。分析結(jié)果表示，當(dāng)轉(zhuǎn)換梁的跨度不大于十二米時(shí)，轉(zhuǎn)換梁承托的層數(shù)標(biāo)準(zhǔn)為三層，但是以承托層數(shù)為四層或者是五層進(jìn)行計(jì)算時(shí)，偏差也沒有超過5%，在可承受范圍之內(nèi)。因此，在對(duì)承托層數(shù)為三到五層的梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，就可以直接以三層為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。導(dǎo)致這種情況出現(xiàn)的原因主要有兩點(diǎn)：其一，是因?yàn)檗D(zhuǎn)換梁正好處于結(jié)構(gòu)整體彎曲的受拉區(qū)，應(yīng)力積分后在轉(zhuǎn)換大梁中就會(huì)出現(xiàn)軸向拉力；其二，是因?yàn)榧袅w豎向力作用于轉(zhuǎn)換梁時(shí)，傳力方式就會(huì)由豎向傳遞變成了拱式傳遞，力量不會(huì)直接作用在轉(zhuǎn)換梁上，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)換梁中間位置出現(xiàn)拉力，支座出現(xiàn)軸向壓力。

五、設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾點(diǎn)問題

1、轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度不宜過高

轉(zhuǎn)換層高度越高，使得轉(zhuǎn)換層對(duì)下部結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性影響越明顯，同時(shí)傳力路線的突變?cè)酱?，使得下部結(jié)構(gòu)更容易破壞；轉(zhuǎn)換層高度低的建筑，只需控制側(cè)向剛度比即可控制轉(zhuǎn)換層附近的層間位移角；對(duì)于轉(zhuǎn)換層高度更高的建筑，還須控制轉(zhuǎn)換層上下部結(jié)構(gòu)的等效剛度比。轉(zhuǎn)換層高度越高，轉(zhuǎn)換層上下部結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形效應(yīng)就越大，轉(zhuǎn)換層上下部結(jié)構(gòu)等效側(cè)向剛度比的作用也就越小。

2、柱宜直接落在轉(zhuǎn)換層主結(jié)構(gòu)上

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中第 E.2.2條規(guī)定：轉(zhuǎn)換層上部的豎向抗側(cè)力構(gòu)件（墻、柱）宜直接落在轉(zhuǎn)換層的主結(jié)構(gòu)上。即上部密柱宜與轉(zhuǎn)換桁架斜腹桿的交點(diǎn)、空腹桁架的豎腹桿在位置上重合。這樣使得結(jié)構(gòu)的傳力路線明確，受力合理，且相鄰斜腹桿可形成拱效應(yīng)，與豎腹桿共同承受豎向力，同時(shí)有利于提高結(jié)構(gòu)抵抗地震豎向作用的能力。

六、結(jié)束語

高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須要從力學(xué)角度展開分析，結(jié)合高層建筑功能，采用合理的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式，保障建筑結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

[1]高淑云.淺析高層轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2012，（18）.

[2]趙恒.對(duì)高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有關(guān)探討[J].中國建筑金屬結(jié)構(gòu)，2013，（14）：93-93.

[3]唐興榮，蔣永生，孫寶俊等.帶預(yù)應(yīng)力混凝土桁架轉(zhuǎn)換層的多高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工建議[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2000，21（5）：65-74.

[4]孫鴻偉.關(guān)于高層建筑轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析[J].四川水泥，2014，（9）：110-110，113.

[5]陸勁松.高層建筑工程中厚板轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例分析[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2014，（9）：93-93

[6]方毅華.有關(guān)轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的闡述[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2014，（11）：109-109.

[7]曾均華.帶轉(zhuǎn)換層的高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].建材與裝飾，2014，（25）：32-33，34.