試論高層建筑工程的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計

【摘要】先進科技在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用為現(xiàn)代建筑行業(yè)的發(fā)展帶來了強大的動力，在現(xiàn)代建筑技術(shù)的支持下，高層建筑工程的大量建設(shè)與實施得以實現(xiàn)，現(xiàn)代高層建筑不僅在高度上較以往有了很大的增加，同時在建筑外觀及結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性上也與以往有了很大的不同，要充分保障高層建筑工程的結(jié)構(gòu)受力的穩(wěn)定性，保障高層建筑在建設(shè)與使用過程中的安全性，加強對轉(zhuǎn)換層設(shè)計的研究是十分必要的，本文就將對此展開探討。

【關(guān)鍵詞】高層建筑工程；轉(zhuǎn)換層；結(jié)構(gòu)設(shè)計

現(xiàn)代城市人口增加以及城市功能的日益豐富和完善，對于城市建筑工程的建設(shè)也有著更高的需求，一方面，要求城市建筑工程要在有限的開發(fā)土地面積上，創(chuàng)造更多的居住、辦公、休閑等功能空間，這可以通過高層建筑工程的建設(shè)予以滿足，同時還要保障建筑工程的質(zhì)量與可靠性，這就要求針對高層建筑的結(jié)構(gòu)受力特性進行深入研究，并通過對轉(zhuǎn)換層機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計予以保證。

一、高層建筑工程轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的主要類型

1.梁式轉(zhuǎn)換層

梁式轉(zhuǎn)換層是現(xiàn)代高層建筑中應(yīng)用非常廣泛的一種轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式，尤其適用于底部大空間的框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系的高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換中，此類轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式的作用原理主要是通過將轉(zhuǎn)換層上部的剪力墻落在框支梁上，而框支梁則是通過穩(wěn)定的框支柱進行支撐，從而保證整體建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，形成較為穩(wěn)固的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)體系，其在實際應(yīng)用中的主要優(yōu)勢在于設(shè)計簡單，便于施工操作，結(jié)構(gòu)傳力十分明確，且施工成本較低，具有著良好的經(jīng)濟性優(yōu)勢，因而受到許多建筑企業(yè)的青睞。

2.箱式轉(zhuǎn)換層

箱式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式相對適用范圍要小于梁式轉(zhuǎn)換層，其主要應(yīng)用于轉(zhuǎn)換梁截面超出一定范圍，不能夠通過一層樓板的設(shè)置來滿足其需要的剛度要求情況下的轉(zhuǎn)換層構(gòu)建。為充分保證建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，箱式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式通常是在轉(zhuǎn)換梁的頂與底分別設(shè)置一層樓板，兩層樓板和四周圍護的墻壁結(jié)構(gòu)之間形成一個箱式的空間，從而使轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的形式整體呈現(xiàn)為箱式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)形式在應(yīng)用中能夠有效的保障對轉(zhuǎn)換梁的較強約束力，同時轉(zhuǎn)換梁的剛度也相對較大，從上到下整體結(jié)構(gòu)在傳力效果方面相對更為均勻，同時箱式結(jié)構(gòu)中間所形成的空間也可以滿足建筑設(shè)備層設(shè)置的功能需求，具有著良好的應(yīng)用效果。但相對的，此類轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式在建設(shè)過程中需要在轉(zhuǎn)換梁中進行較多的開洞處理，相對施工操作的復(fù)雜性更高，其施工成本也相對較高，經(jīng)濟效益一般。

3.厚板式轉(zhuǎn)換層

厚板式轉(zhuǎn)換層的應(yīng)用主要是為了應(yīng)對上下柱網(wǎng)存在較多錯位，無法實現(xiàn)利用梁結(jié)構(gòu)直接進行承托的目的時的轉(zhuǎn)換層建設(shè)需求，主要采取的方式是將轉(zhuǎn)換層直接制作成為具有一定厚度的厚板，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)受力的傳導(dǎo)與轉(zhuǎn)換的作用。為保證厚板式轉(zhuǎn)換層功能的良好發(fā)揮，一般需要結(jié)合柱網(wǎng)的實際尺寸以及對上部結(jié)構(gòu)荷載的分析來對板的厚度進行合理確定，其在應(yīng)用中的主要優(yōu)點包括上部結(jié)構(gòu)布局對下部柱網(wǎng)的影響小，結(jié)構(gòu)布置具有很大的靈活性，厚板能夠達到較高的剛度，且對于施工工藝要求較低，施工便捷，還能夠發(fā)揮出十分良好的整體性。而該結(jié)構(gòu)形式應(yīng)用的主要不足體現(xiàn)在轉(zhuǎn)換層受力較為復(fù)雜，易造成計算分析的結(jié)果與實際情況之間的加大差異，同時由于厚板本身就有著較大的自重，其所消耗的材料也相對較多，因此經(jīng)濟性較差。

二、高層建筑工程轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則

1.結(jié)構(gòu)要精簡

高層建筑工程轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計首先要求結(jié)構(gòu)應(yīng)較為精簡，盡可能使用較少的轉(zhuǎn)換構(gòu)件，降低轉(zhuǎn)換的實際次數(shù)，尤其是在結(jié)構(gòu)主體的豎向構(gòu)件布置過程中，應(yīng)在施工條件與建筑結(jié)構(gòu)要求允許的情況下，使盡可能多的剪力墻與柱實現(xiàn)上下連續(xù)貫通，從而降低與轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)相關(guān)的剛度突變問題的發(fā)生幾率，實現(xiàn)高層建筑整體結(jié)構(gòu)抗震能力的有效提升。

2.傳力要直接

在高層建筑結(jié)構(gòu)中，多級轉(zhuǎn)換很容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定性下降，影響高層建筑的抗震能力與整體的可靠性，因此，在轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中還應(yīng)盡可能的保證傳力的直接性，減少多級轉(zhuǎn)換對建筑結(jié)構(gòu)所造成的不利影響，這也決定著如次框、支柱梁等結(jié)構(gòu)形式在高層建筑工程轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)中不適宜使用，應(yīng)盡可能在方案設(shè)計中予以避免。

3.力學(xué)計算要準確

準確的力學(xué)計算數(shù)據(jù)是保障轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計科學(xué)性與可靠性的重要基礎(chǔ)依據(jù)，因此，在高層建筑工程轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計中還應(yīng)注意保證力學(xué)計算的準確性，可通過采用兩種力學(xué)模型不同的三維空間分析軟件來計算整體的內(nèi)力，并通過兩種軟件計算分析的結(jié)果對比來檢核計算的準確性，對于計算結(jié)果中存在的差異應(yīng)嚴格進行分析，找出差異出現(xiàn)的原因，并在調(diào)整后再次進行計算，直至計算結(jié)果一致，避免對轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量的影響。

三、高層建筑工程轉(zhuǎn)化層結(jié)構(gòu)設(shè)計的要點

1.明確高層建筑工程結(jié)構(gòu)抗震等級

在抗震等級確定時需要充分考慮多方面的因素，按照相關(guān)規(guī)范的要求對建筑結(jié)構(gòu)不同部位及結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震等級進行分別評定。根據(jù)所選擇的參考工程實際情況，由于其結(jié)構(gòu)屬于框支剪力墻，其中框支框架抗震等級為二級，剪力墻底部加強部位抗震等級為三級，考慮到加強底部及保持底部一致的因素，將轉(zhuǎn)換層及其以下各層的一般框架梁和框架柱及轉(zhuǎn)換梁的抗震等級定為二級。由于工程轉(zhuǎn)換層設(shè)在建筑4層樓面即結(jié)構(gòu)3層，已屬于“高位轉(zhuǎn)換”，框支柱及落地剪力墻的抗震等級應(yīng)提高一級。因此，框支柱應(yīng)定為一級抗震，轉(zhuǎn)換層以下落地剪力墻定為二級抗震。轉(zhuǎn)換層以上部分，框支層以上兩層仍屬剪力墻底部加強區(qū)，其中落地的那部分剪力墻由于是“高位轉(zhuǎn)換”，還要提高一級。

2.注意在結(jié)構(gòu)設(shè)計中做好豎向布置

高層建筑工程轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個重點就是對豎向結(jié)構(gòu)的合理布置，其目的在于保證測量剛度分布的合理性，并最大限度防止剛度突變所帶來的安全隱患。傳統(tǒng)概念上的高層建筑側(cè)向剛度分布一般以上小下大為宜，但轉(zhuǎn)換層的設(shè)置使高層建筑結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度分布要求也發(fā)生了一定的變化，尤其是“高位轉(zhuǎn)換”情況下，更多是要求轉(zhuǎn)換層上下結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度分布均勻，上下結(jié)構(gòu)部分的側(cè)向剛度比一般要求處于1～1.3的范圍內(nèi)，以達到側(cè)向剛度比值為1最為理想。在結(jié)構(gòu)的豎向布置上可以借鑒下面的幾種策略：

首先，可以采取在符合建筑工程施工原理與施工規(guī)范的基礎(chǔ)上，合理增加落地剪力墻的數(shù)量，或在不影響建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及使用功能的情況下，在底部增設(shè)部分剪力墻的方式，實現(xiàn)對底部剛度的增強，從而優(yōu)化轉(zhuǎn)換層上下結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度比值。

其次，可在科學(xué)分析后，對底部剪力墻進行適當(dāng)?shù)募雍裉幚?，以增加厚度的方式來強化底部的剛度?/p>

再次，在滿足轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)施工基本需求的前提下，盡可能避免在底部剪力墻上進行開洞，或最大限度的控制開洞面積，控制其對底部剛度的削弱作用。與此同時，通過采用更高強度等級的混凝土材料進行建筑底部柱、墻的澆筑施工，以有效提高底部剛度。

最后，在滿足轉(zhuǎn)換層上部建筑結(jié)構(gòu)整體受力穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，對轉(zhuǎn)換層上部剪力墻的數(shù)量進行合理的控制，并避免上部剪力墻過厚，在不影響剪力墻結(jié)構(gòu)支撐功能的情況下，適當(dāng)在長剪力墻中部進行開洞，從而有效減輕轉(zhuǎn)換層上部建筑結(jié)構(gòu)的重量，并弱化上部結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，保證高層建筑結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

3.在設(shè)計中加強對結(jié)構(gòu)平面布局的優(yōu)化

在高層建筑工程轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中還應(yīng)注意對結(jié)構(gòu)平面布局的優(yōu)化，在實際設(shè)計中，平面布局原則上應(yīng)盡可能實現(xiàn)各個方位的對稱布局，主要方向上的質(zhì)量中心與剛度中心偏差應(yīng)盡可能控制在一定的范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)的偏心率越小則平面布局效果相對越理想。一般情況下，除核心筒外，其余剪力墻的布置應(yīng)盡可能保證均勻、分散，并以沿周邊布置為主，從而確保轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)置能夠達到較好的抗扭效果，保證平面布局的規(guī)則、合理，滿足工程要求。

四、高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計

1.框支柱的設(shè)計

框支柱設(shè)計的關(guān)鍵主要在于對框支柱截面延性的有效控制，一般情況下框支柱界面的尺寸設(shè)計可以根據(jù)軸壓比與剪壓比來予以確定，其中軸壓比是框支柱截面尺寸的主要控制因素，合理的軸壓比可以有效的提高框支柱的延性水平。結(jié)合工程實際，框支柱抗震等級為一級的情況下，軸壓比按照相關(guān)規(guī)范應(yīng)小于或等于0.6，特殊情況下，即由于截面尺寸過大形成的“短柱”，其軸壓比也應(yīng)滿足小于或等于0.55的要求。配箍率也是影響框支柱截面延性的一個重要參數(shù)，要保證框支柱有良好的截面延性，就需要合理的對其配箍率進行提高，原則上要滿足轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)置下的框支柱截面延性要求，應(yīng)保證框支柱的實際配箍率大于或等于1.5%，并要確保配筋的質(zhì)量充分滿足工程要求。此外，為了充分保證框支柱的設(shè)計與布置的可靠性，提高工程整體安全性，還需要嚴格按照規(guī)范進行剪力計算，且必須要充分考慮建筑建設(shè)與實際使用過程中可能出現(xiàn)的樓板變形情況，和剪力墻裂縫對框支柱剪力的影響，針對框支柱剪力增大的相關(guān)問題進行專門的規(guī)定與要求。

2.框支梁的設(shè)計

框支梁也是高層建筑工程中轉(zhuǎn)換層的主要構(gòu)件，其截面尺寸的主要控制要素為剪壓比，為保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，其梁寬還要求必須要大于或等于上部墻厚度的兩倍，且至少為40厘米，梁的高度設(shè)計則要求必須要大于等于實際計算跨度的1/6?？蛑Я鹤鳛橐粋€重要的結(jié)構(gòu)部分，其在工程中承受著十分復(fù)雜的作用力影響，承擔(dān)著結(jié)構(gòu)荷載傳輸、保障框支剪力墻抗震性能的重要任務(wù)，也是關(guān)系到高層建筑構(gòu)成結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵構(gòu)件部分，在對其進行設(shè)計的過程中通常要考慮安全儲備的預(yù)留，即框支梁設(shè)計的安全性與受力性能應(yīng)高于其界定抗震等級的基本要求，對于其配筋率、抗剪能力、抗扭能力等都應(yīng)較規(guī)范的要求高出一定范圍，從而保留足夠的余量，設(shè)計中還應(yīng)堅持“強剪弱彎”原則，以保證框支梁的有效抗震性能。

3.轉(zhuǎn)換層樓板設(shè)計

轉(zhuǎn)換層樓板在高層建筑工程轉(zhuǎn)換層設(shè)計中發(fā)揮著十分重要的作用，也是轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計的一個重要部分?？蛑Ъ袅Y(jié)構(gòu)以轉(zhuǎn)換層為分界，上下兩部分的內(nèi)力分布規(guī)律是不同的。從樓板自身情況來看，其在轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)中本身就要承受較大的平面內(nèi)作用力，這也導(dǎo)致轉(zhuǎn)換層樓板更容易產(chǎn)生較大的變形，要實現(xiàn)對這一變形程度的有效控制，就必須要要從設(shè)計環(huán)節(jié)就對樓板剛度進行有效的加強，要達到這一目標，首先可以從轉(zhuǎn)換層樓板的施工材料優(yōu)化著手，通過采用高強度等級的混凝土材料、鋼筋材料等，并適當(dāng)增加樓板厚度，提高配筋率，來有效增強轉(zhuǎn)換層樓板的剛度；其次可以根據(jù)實際需要對轉(zhuǎn)換層以上的兩層及以下所有樓層的樓板進行剛度強化處理，從而保證高層建筑工程整體的穩(wěn)定性要求。

五、高層建筑工程轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計未來的發(fā)展展望

從當(dāng)前我國的經(jīng)濟發(fā)展形勢與城市化建設(shè)的進程來看，許多城市中對于建筑空間依然有著較高的需求，同時城市建設(shè)用地的緊張使得現(xiàn)代城市建筑必須要向縱向空間進行擴展，高層建筑工程在未來有著極大的發(fā)展空間，保障高層建筑工程的可靠性與穩(wěn)定也就是未來建筑發(fā)展的必然要求，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展也將成為必然的趨勢。未來高層建筑工程轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計的發(fā)展主要有以下幾方面趨勢。首先是轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)將可能成為未來高層建筑工程轉(zhuǎn)換層的主要結(jié)構(gòu)類型，其能夠有效提高轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的承載能力和剛度，并實現(xiàn)對梁截面面尺寸的有效控制。其次是對新型建筑材料的應(yīng)用，新型建筑材料應(yīng)具有更高的強度、耐久性、可靠性以及更好的環(huán)保性，從而有效的減少高層建筑工程施工中的材料使用量，減低結(jié)構(gòu)整地自重，減少建筑施工中建筑垃圾的產(chǎn)生，發(fā)揮環(huán)保效益，并實現(xiàn)對建筑工程成本的有效控制與施工效率的有效提升。

總結(jié)：

本文首先對加強高層建筑工程轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計的意義進行了闡述，隨后相繼對高層建筑工程轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的主要類型以及轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要原則進行了介紹，之后就高層建筑工程轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計的要點和轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)中的主要構(gòu)件設(shè)計展開了探討，最后結(jié)合當(dāng)前實際與我國高層建筑發(fā)展的趨勢對高層建筑工程轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計未來的發(fā)展進行了展望，希望通過本文能夠為我國高層建筑安全建設(shè)施工水平的提高提供保障。

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