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

趙立彬/石家莊市遠(yuǎn)匯建筑工程有限公司

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

趙立彬/石家莊市遠(yuǎn)匯建筑工程有限公司

【摘 要】近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，人們對(duì)高層建筑功能要求趨向于多樣化、綜合化，較為常見的形式是以上部為小開間的民用住宅，下部為大開間的商場或公共娛樂場所。為滿足建筑要求，在上下不同結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換的樓層設(shè)置轉(zhuǎn)換層，轉(zhuǎn)換層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。本文主要芻議高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，希望為高層建筑設(shè)計(jì)方面提供借鑒。

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

功能多樣化的高層建筑物，由于受到多方外部及自身荷載的影響，其應(yīng)力結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。設(shè)計(jì)時(shí)要嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范的要求進(jìn)行，并注重結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)內(nèi)涵，綜合考量建筑各個(gè)層次空間的使用功能，使建筑物不僅在水平及垂直方向上具有強(qiáng)大的抗震能力，保障建筑物的安全性，并能完美的發(fā)揮出使用效果。

一、高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的類型

在選擇轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的時(shí)候應(yīng)該考慮各個(gè)建筑的風(fēng)格、受力情況、外部荷載和使用功能等多個(gè)因素的影響，根據(jù)各個(gè)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行綜合考量。

（一）梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)

梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)在垂直向外力傳遞的路徑有著其他轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)沒有的優(yōu)勢，即運(yùn)用墻（柱）轉(zhuǎn)換梁柱（墻），使得外力傳遞直接，路徑清晰。這樣的傳力體系不僅施工簡單、成本較低，更便于結(jié)構(gòu)內(nèi)力的計(jì)算和分析。因此，梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的使用非常廣范，選擇梁式轉(zhuǎn)換層的高層建筑約占轉(zhuǎn)換層建筑總量的75%。梁式轉(zhuǎn)換層包括托墻、托柱、加腋型、不加腋型、鋼結(jié)構(gòu)型、鋼筋混凝土型、鋼骨混凝土型等多種類型。轉(zhuǎn)換梁的主要功能是承受垂直向的外力，其設(shè)計(jì)方法應(yīng)考慮其應(yīng)力大小、剛度、強(qiáng)度以及轉(zhuǎn)換層形式等多個(gè)因素，具體分析在外力作用下的受力規(guī)律。針對(duì)各方受力情況可使用有限元分析程序進(jìn)行逐一精確的分析和計(jì)算。

（二）桁架式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

對(duì)比梁式轉(zhuǎn)換層，當(dāng)其承重結(jié)構(gòu)是由榀量相對(duì)的較多的鋼筋混凝土桁架所組成時(shí)，即為桁架式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。在轉(zhuǎn)換層的上層及下層樓的結(jié)構(gòu)層內(nèi)分別設(shè)置上弦桿和下弦桿，并于層間設(shè)置腹桿。與梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)相比，這種結(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)點(diǎn)。桁架的高度較大，下弦桿的截面面積較小，因而占用的空間十分有限。除此以外，結(jié)構(gòu)整體性高，受力路徑清晰，結(jié)構(gòu)內(nèi)力的計(jì)算和分析更簡易。與箱式結(jié)構(gòu)相比，自重小，不僅能作為設(shè)備層還能用作其他用途；外力的承載力高，管道的維護(hù)和安裝簡單方便。桁架的設(shè)計(jì)原則“強(qiáng)斜腹桿，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”，但影響節(jié)點(diǎn)荷載狀況的因素眾多，因而設(shè)計(jì)有一定的難度。當(dāng)樓層的高度較小時(shí)，斜壓的腹桿容易成為超短柱，在地震來時(shí)極易成為薄弱的節(jié)點(diǎn)，破壞的可能性加大。

（三）厚板厚梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

當(dāng)建筑物上下層的柱網(wǎng)分布不均勻，而軸線分錯(cuò)較為復(fù)雜時(shí)，托梁直接承托已經(jīng)沒有辦法達(dá)到效果。這時(shí)，應(yīng)該做成厚度較大的托承板，即為所說的厚板厚梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。為了達(dá)到預(yù)期的效果，這種結(jié)構(gòu)的托板厚度相對(duì)較大。這種結(jié)構(gòu)有效地解決了上下層柱網(wǎng)的不對(duì)稱性。但是這種結(jié)構(gòu)的傳力體系不清晰，使得結(jié)構(gòu)在進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算和分析時(shí)都有困難。還有因?yàn)椴捎煤癜搴窳?，所以在柱墻或各個(gè)連接部分都有配有一定量的鋼筋，應(yīng)設(shè)置暗梁，因此，材料消耗較多。還有轉(zhuǎn)換板由于自身重量大，對(duì)于該轉(zhuǎn)換層縱向構(gòu)件的承載力要求很高，轉(zhuǎn)換板剛度和質(zhì)量均很大，地震來時(shí)會(huì)承擔(dān)很大的地震作用，而且垂直剛度也會(huì)因此受到影響。

二、高層建筑轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)布置

轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)可以根據(jù)其建筑功能和結(jié)構(gòu)傳力的需要，沿高層建筑高度方向一處或多處靈活布置（或是樓層局部布置轉(zhuǎn)換層），且自身的這個(gè)空間既可以作為正常使用樓層，也可以作為技術(shù)設(shè)備層，但應(yīng)該保證轉(zhuǎn)換層有足夠的剛度，以防止沿豎向剛度過于懸殊。當(dāng)建筑物較高柔（如框架-核心筒結(jié)構(gòu)），整體剛度可能不足，在結(jié)構(gòu)豎向的一定部位設(shè)置水平剛性樓層（加強(qiáng)層），人為地加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體彎曲效應(yīng)，這時(shí)轉(zhuǎn)換層可同建筑物的加強(qiáng)層、設(shè)備層等統(tǒng)一考慮。對(duì)大底層上部為多塔的建筑，塔樓的轉(zhuǎn)換層宜設(shè)置在裙樓的屋面層，并加大屋面梁、板尺寸和厚度，以避免中間出現(xiàn)剛度特別小的樓層，減小震害。對(duì)部分框支剪力墻高層建筑結(jié)構(gòu)，其轉(zhuǎn)換層的位置，7度區(qū)不宜超過第5層；8度區(qū)不宜超過第三層。

三、高層建筑轉(zhuǎn)換層的抗震設(shè)計(jì)

高層建筑要考慮的層面不是簡單的舒適度這樣的問題了，還要考慮抵御自然災(zāi)害的能力，因此在高層建筑的實(shí)際中已把抗震列為首要追蹤的關(guān)鍵性問題。在高層建筑的轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)上就要加強(qiáng)抵御震力的能力，對(duì)轉(zhuǎn)換層的上下層次要做重新的設(shè)計(jì)，盡可能的把上下的豎向構(gòu)架進(jìn)行重新的分配，對(duì)樓板也要進(jìn)行剪力的重新構(gòu)造，減弱平面內(nèi)的受力狀況，加強(qiáng)地震剪力的安置，這是至關(guān)重要的，不可忽視。

對(duì)帶轉(zhuǎn)換層的剪力墻結(jié)構(gòu)及帶轉(zhuǎn)換層筒體結(jié)構(gòu)這兩類轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，通過轉(zhuǎn)換層上下層間位移角及內(nèi)力變化情況的分析，可得出影響其抗震性能的主要因素，分別是：轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度、轉(zhuǎn)換層上部與下部結(jié)構(gòu)等效剛度比、轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)與其上層結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比。對(duì)帶轉(zhuǎn)換層筒體結(jié)構(gòu)其主要影響因素表現(xiàn)為轉(zhuǎn)換層上部外筒的剛度、轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度和內(nèi)筒剛度對(duì)轉(zhuǎn)換層位置較高的帶轉(zhuǎn)換層的剪力墻結(jié)構(gòu)僅僅控制轉(zhuǎn)換層上、下樓層的側(cè)向剛度比是不夠的，還應(yīng)控制轉(zhuǎn)換層上部與下部結(jié)構(gòu)等效剛度比，轉(zhuǎn)換層上部與下部結(jié)構(gòu)的等效剛度比越大，轉(zhuǎn)換層上下層間位移角及內(nèi)力突變情況越明顯，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)加以控制，使其盡量接近于1，且不大于1.3。帶轉(zhuǎn)換層的筒體結(jié)構(gòu)，如轉(zhuǎn)換層上部的外筒為框架，一般情況下不會(huì)發(fā)生剛度突變，但建立傳力途徑的變化仍然存在。

四、高層建筑轉(zhuǎn)換層的軸壓比控制

高層建筑中轉(zhuǎn)換層還要注意軸壓的比率，盡量控制這個(gè)比率，我們知道，轉(zhuǎn)換層的支梁和支柱在內(nèi)交角的位置，有一個(gè)突出的應(yīng)力表現(xiàn)情況，由于深受水平負(fù)載以及垂直負(fù)載的雙重影響，柱子的橫截面，柱子的剪力，以及柱子的彎矩在相對(duì)條件下較小，所以軸壓力的承受力主要受框支柱所支撐，轉(zhuǎn)換層以上的墻體垂直負(fù)載和水平負(fù)載差不多都能借助板平面內(nèi)的剛度傳遞給落地剪力墻，因此要嚴(yán)格控制框支柱的軸壓比。例如，在一高層建筑實(shí)處，設(shè)計(jì)的方案是這樣的：抗震設(shè)計(jì)時(shí)框支柱的軸壓比小于0.6，砼的強(qiáng)度等級(jí)高于C20，但低于C30，采用螺旋箍圍繞框支柱全高密度較小，箍筋直徑要不足10，問距不足100mm，這個(gè)設(shè)計(jì)方案，在真正實(shí)行的過程中限制了柱箍筋配箍率，減弱了轉(zhuǎn)換層柱的抗剪能力。因此要切合實(shí)際的對(duì)高層建筑進(jìn)行科學(xué)的檢測，確保萬無一失。

五、結(jié)語

總之，任何事物的都要根據(jù)具體的實(shí)際的問題出發(fā)，根據(jù)客觀存在的條件，根據(jù)高層建筑中的實(shí)際問題，依據(jù)不同的特點(diǎn)和特征，尊重自然的情況下，設(shè)計(jì)出最佳方案。另外，在設(shè)計(jì)上不要循規(guī)蹈矩，打破以往的設(shè)計(jì)因素，確保方案設(shè)計(jì)的全面性、科學(xué)性，減少高層建筑施工中的風(fēng)險(xiǎn)和難度。

參考文獻(xiàn)：

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[2]陳加余，謝加虎，熊智剛.高層建筑轉(zhuǎn)換層的特點(diǎn)及研究現(xiàn)狀[j].山西建筑，2009（14）.