剖析帶轉(zhuǎn)換層的復(fù)雜小高層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式

王 曉 彥

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原　030001)

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剖析帶轉(zhuǎn)換層的復(fù)雜小高層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式

王 曉 彥

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原030001)

介紹了高層建筑轉(zhuǎn)換層的定義和功能，從桁架結(jié)構(gòu)、箱型結(jié)構(gòu)、梁式結(jié)構(gòu)和厚梁厚板結(jié)構(gòu)方面，總結(jié)了高層建筑的四種不同類型轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)形式，并提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法，從而保證建筑的安全性和穩(wěn)定性。

高層建筑，轉(zhuǎn)換層，結(jié)構(gòu)形式

0　引言

通常情況下，高層建筑為了結(jié)構(gòu)的合理性，需要在建筑的下部多增加一些墻體來(lái)保證相應(yīng)的承載能力，但是在實(shí)際的建筑中,上部需要一些墻體來(lái)滿足住宅的要求，而在建筑的下部為了獲得較大的空間又需要去掉許多墻體，所以這些結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一定的矛盾。對(duì)此，需要在高層建筑中設(shè)計(jì)一定的轉(zhuǎn)換層，從而保證結(jié)構(gòu)的安全性和一定使用性。

1　轉(zhuǎn)換層定義及功能

為了滿足人們的需求，需要在高層建筑的上層設(shè)置較多的墻體，軸線的布置較為復(fù)雜，而下部需要較大的空間，應(yīng)該盡量的減少墻體，保證柱網(wǎng)足夠大。在這種情況下，上層的荷載可能不會(huì)直接傳遞給地基，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生影響。對(duì)此應(yīng)該利用轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)來(lái)將豎向荷載傳遞給水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件，這就是帶有轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)。

首先，通過(guò)轉(zhuǎn)換層能夠?qū)⑸喜康募袅奢d傳遞給下部的框架，屬于上下層結(jié)構(gòu)類型的轉(zhuǎn)換，這種結(jié)構(gòu)類型主要出現(xiàn)在剪力墻和框架—剪力墻結(jié)構(gòu)中，這種方式能夠保證內(nèi)部自由空間的充足；另外還有上下層結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)和軸線的改變方式，這種方式使轉(zhuǎn)換層上下的結(jié)構(gòu)形式不會(huì)發(fā)生變化，但是利用轉(zhuǎn)換層能夠增加下部結(jié)構(gòu)的柱距，保證柱網(wǎng)的擴(kuò)大，這種形式主要在外框筒的下層來(lái)進(jìn)行設(shè)置，保證下部獲得較大的使用空間；還有就是能夠?qū)ι舷聦咏Y(jié)構(gòu)同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)類型和柱網(wǎng)，這種方式是上述兩種方式的結(jié)合，不但能夠?qū)⑥D(zhuǎn)換層上部的剪力墻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成框支剪力墻，還能將上部剪力墻和下部柱網(wǎng)的軸線錯(cuò)開(kāi)，這樣就能夠保證上下層不同使用功能的靈活性。

2　不同類型轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法

高層建筑的轉(zhuǎn)換層轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的形式主要有四種，分別是桁架結(jié)構(gòu)、箱型結(jié)構(gòu)、梁式結(jié)構(gòu)和厚梁厚板結(jié)構(gòu)，具體內(nèi)容如下：

1)桁架轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。桁架轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)是根據(jù)梁式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層演化而來(lái)的，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的主要組成部分是由多榀鋼筋混凝土桁架組成的，在轉(zhuǎn)換層的上下樓面的結(jié)構(gòu)層里設(shè)置上桁架的上下弦桿，而結(jié)構(gòu)層之間會(huì)設(shè)置腹桿。桁架結(jié)構(gòu)在高度上較高，所以會(huì)使得下弦桿具有較小的截面尺寸。無(wú)論是實(shí)腹桁架還是空腹桁架，都可以作為鋼桁架或者鋼筋混凝土桁架，而鋼筋混凝土桁架是鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)中較為常用的桁架。桁架轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)相比于梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)更加具有整體性，能夠更加清楚的進(jìn)行受力分析，不但自重較小，而且具有較好的抗震性，在管道的安裝和維修上也很方便。但是這種轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)不但在設(shè)計(jì)方面難度較大，而且施工起來(lái)也很復(fù)雜。

桁架結(jié)構(gòu)首先需要進(jìn)行一定的整體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析，不但要對(duì)結(jié)構(gòu)整體的位移、變形等方面有要求，而且需要按照國(guó)家的相關(guān)規(guī)定規(guī)程來(lái)對(duì)轉(zhuǎn)換層上下結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度比進(jìn)行把關(guān)。相對(duì)來(lái)說(shuō)，桁架結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層受力上更加的合理，正是因?yàn)檫@種轉(zhuǎn)換層受到的剪力以及彎矩比較小，所以容易對(duì)構(gòu)件的截面尺寸進(jìn)行控制，從而在抗震性上有著很好的效果。也正是因?yàn)殍旒芙Y(jié)構(gòu)受到的剪力和彎矩比較小，所以對(duì)轉(zhuǎn)換層下部的影響較小，對(duì)于結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)較為合理。

2)箱型轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。箱型轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)形式主要組成部分是單向托梁和雙向托梁，加上上下層較厚樓板的共同工作，就能保證形成的箱型轉(zhuǎn)換層的剛度較大。通過(guò)箱型轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)能夠在轉(zhuǎn)換層本身的整體性上進(jìn)行保證，當(dāng)出現(xiàn)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)上部布置較為復(fù)雜的情況，還能夠?qū)ι舷仑Q向構(gòu)件的力的有效傳遞進(jìn)行保證。但是這種結(jié)構(gòu)形式會(huì)占用一定的建筑空間，所以這種方式通常會(huì)在設(shè)備層等樓層中使用。另外，利用箱型轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)在對(duì)剪力墻進(jìn)行設(shè)置的時(shí)候，可能會(huì)與設(shè)備和管線的布置產(chǎn)生沖突。這種轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)在重量和造價(jià)上也很不占優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，會(huì)因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和施工難度的提高，使得實(shí)際施工過(guò)程中很少使用。

3)梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)是當(dāng)前復(fù)雜高層建筑中最為常用的垂直轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形式，在這種結(jié)構(gòu)形式中，力通過(guò)墻或柱傳到轉(zhuǎn)換梁，然后再傳給柱或者墻，這種形式在力的傳接上較為直接和明確。在工程的計(jì)算、設(shè)計(jì)和分析上非常的方便，并且施工方便，造價(jià)便宜等等，這就是梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)在實(shí)際的建筑工程中較為常見(jiàn)的原因。在實(shí)際的建筑施工中，這種轉(zhuǎn)換梁的結(jié)構(gòu)形式也多種多樣，按照轉(zhuǎn)換梁的功能，能夠分為托墻和托柱；在加不加腋上也會(huì)有差異；另外在結(jié)構(gòu)的組成材料上，主要有鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土等等。梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)主要是對(duì)豎向載荷進(jìn)行承擔(dān)，主要是對(duì)豎向載荷作用下的受力規(guī)律進(jìn)行體現(xiàn)。對(duì)上部墻體的轉(zhuǎn)換梁受力分析的時(shí)候，主要采用有限元法來(lái)進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)工程實(shí)例的計(jì)算結(jié)果的分析，能夠發(fā)現(xiàn)計(jì)算的模型在選取的時(shí)候會(huì)與轉(zhuǎn)換梁的跨度有關(guān)。當(dāng)上層墻體的層數(shù)較少時(shí)，轉(zhuǎn)換梁的跨度較小，而上層墻體的層數(shù)較多時(shí)，轉(zhuǎn)換梁的跨度則會(huì)較大，在大型的復(fù)雜高層建筑中，轉(zhuǎn)換梁的跨度通常在6 m～12 m之間，而層高在2.8 m～3.2 m之間，在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行有限元分析，要保證計(jì)算精度能夠滿足設(shè)計(jì)的需求。

4)厚梁厚板轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。當(dāng)出現(xiàn)上下層柱網(wǎng)軸線錯(cuò)開(kāi)情況較多的時(shí)候，通常會(huì)利用這種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行施工，在不能直接的利用梁進(jìn)行直接承托的情況下，可以利用厚板來(lái)進(jìn)行板式承臺(tái)式轉(zhuǎn)換層施工。通過(guò)厚梁厚板轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)能夠保證下層柱網(wǎng)在設(shè)計(jì)上較為靈活，但是同樣的會(huì)具有較大的自重，在資源的消耗方面也較大。正是因?yàn)楹窳汉癜遛D(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的剛度較大，所以會(huì)被視為剛性的轉(zhuǎn)換層。雖然通過(guò)厚板厚梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)能夠保證上下層結(jié)構(gòu)的布置，但是也會(huì)阻礙上下層之間的受力傳遞等等，不能很好的進(jìn)行計(jì)算，而利用有限元法來(lái)進(jìn)行結(jié)算的時(shí)候會(huì)較為復(fù)雜，增加了設(shè)計(jì)的不便。從受力上進(jìn)行分析的時(shí)候，在對(duì)柱與柱或者柱與墻之間進(jìn)行配筋加強(qiáng)的時(shí)候，需要增加配筋量。在剪力和沖切的抗力上來(lái)說(shuō)，正是因?yàn)檗D(zhuǎn)換板的厚度較大，所以厚板的自重就會(huì)較大，使得下層垂直構(gòu)件的承載能力在設(shè)計(jì)時(shí)要加強(qiáng)，增大了混凝土的用量，在經(jīng)濟(jì)性方面不好。

帶厚板轉(zhuǎn)換層的高層建筑在進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析的時(shí)候可以利用三維空間分析程序進(jìn)行處理，厚板的內(nèi)力會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)換板邊界形狀的不規(guī)則，載荷的分布和力等方面也會(huì)很復(fù)雜，所以需要有限元軟件進(jìn)行分析。通過(guò)有限元軟件在前后處理功能較為良好，能夠?qū)?nèi)力進(jìn)行分析，自動(dòng)的進(jìn)行內(nèi)力的計(jì)算，能夠?qū)崿F(xiàn)局部轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的變化分析，對(duì)水平方向上的剪力和彎矩進(jìn)行計(jì)算。

3　結(jié)語(yǔ)

雖然我國(guó)在轉(zhuǎn)換層上具有一定的研究，但是在高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的眾多方面仍需要進(jìn)一步的完善和改進(jìn)，應(yīng)該對(duì)轉(zhuǎn)換層上下結(jié)構(gòu)的情況進(jìn)行全面的分析，保證能夠正確的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換層的形式，努力滿足使用者的要求并需要保證整體建筑的安全穩(wěn)定性。

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Analysis on design method of complicated high-rise building structure with conversion layer

Wang Xiaoyan

(ShanxiAcademyofBuildingDesign,Taiyuan030001,China)

The paper introduces the concept and functions of high-rise building conversion layer, summarizes four kinds of structural forms of high-rise building conversion layer from aspects of truss structure, box structure, beam structure and thick-beam plate structure, and finally concludes corresponding design methods, so as to guarantee the building safety and stability.

high-rise building, conversion layer, structural form

1009-6825(2016)08-0065-02

2016-01-07

王曉彥(1985- )，女，助理工程師

TU318

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