高層建筑中轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和發(fā)展

楊拓

（天津城建大學(xué)建筑設(shè)計研究院）

隨著我國經(jīng)濟(jì)日新月異的發(fā)展及城市建設(shè)的需要，結(jié)構(gòu)設(shè)計越來越復(fù)雜科學(xué)。尤其是現(xiàn)今社會中城市寸土寸金的現(xiàn)狀，對高層建筑的需求大量增加。為了滿足多功能、綜合的用途，在同一座樓中往往下部是商場、餐廳，中層是辦公室，高層是住宅。這種設(shè)計中，上部剛度大于下部，必須設(shè)置轉(zhuǎn)換層。轉(zhuǎn)換層既能滿足建筑功能上的需要，又能滿足可靠性的需要。受力上能使上部結(jié)構(gòu)的力均勻的轉(zhuǎn)遞，轉(zhuǎn)換層既能承擔(dān)很大的豎向力，又能使水平地震中的建筑安然無恙。為了結(jié)構(gòu)的合理性和安全性，必須加大重視和研究轉(zhuǎn)換層，這樣才能使人們所居住的建筑功能全，外觀美，而且安全性很高。

1 轉(zhuǎn)換層的應(yīng)用

1.1 轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)形式主要有四種：

（1）實腹梁轉(zhuǎn)換；

（2）桁架轉(zhuǎn)換；

（3）箱形轉(zhuǎn)換；

（4）厚板轉(zhuǎn)換。

1.2 轉(zhuǎn)換特點(diǎn)

1.2.1 實腹梁轉(zhuǎn)換

實腹梁是應(yīng)用最多的轉(zhuǎn)換形式，它受力合理簡單、施工簡單、轉(zhuǎn)換傳力途徑優(yōu)良。實腹梁轉(zhuǎn)換層采用剪力墻和框支梁同框支柱結(jié)合的形式，廣泛的應(yīng)用于底層是商場、飯店，上部為住宅、公寓的高層建筑。實腹梁與上層剪力墻共擔(dān)豎向及水平負(fù)荷。當(dāng)然，實腹梁也有不足的地方，由于下部空間較大，使得轉(zhuǎn)換梁的跨度極大，這需要大梁有很強(qiáng)的抗彎、抗剪能力。為了增強(qiáng)這種能力，只能通過增大轉(zhuǎn)換梁的橫截面來實現(xiàn)，因此對于建筑的外觀有一定的影響。而且重量增大之后，容易形成上下剛度突變，對于抗震十分不利。

1.2.2 桁架轉(zhuǎn)換

相較于梁式轉(zhuǎn)換層，桁架式轉(zhuǎn)換層的受力狀況更加明顯，其抗震性更強(qiáng)、自重更小。在建筑工程中應(yīng)用桁架式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，能夠有效確保建筑安全。然而，在節(jié)點(diǎn)設(shè)計方面，桁架式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計難度較高，施工難度大，在建筑工程中的應(yīng)用并不廣泛。對于高度超過3m的轉(zhuǎn)換層，應(yīng)用桁架式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)較為合適。在應(yīng)用這一結(jié)構(gòu)形式時，設(shè)計師可以配合使用預(yù)應(yīng)力技術(shù)，將構(gòu)件截面減小，從而提高建筑質(zhì)量，減少施工成本。

1.2.3 箱式轉(zhuǎn)換

將轉(zhuǎn)換層兩層樓板加厚后與實腹梁結(jié)成一體就是箱形轉(zhuǎn)換。箱形轉(zhuǎn)換層的面內(nèi)剛度大，重量介于實腹梁與厚板轉(zhuǎn)換之間。這種結(jié)構(gòu)形式能承受上下柱網(wǎng)變動較大的情形，建筑布局十分靈活。但是缺點(diǎn)是上下剛度突變大，高位轉(zhuǎn)換不易，施工困難，造價很高。

1.2.4 厚板轉(zhuǎn)換

厚板轉(zhuǎn)換的優(yōu)點(diǎn)是，建筑結(jié)構(gòu)和軸網(wǎng)可以隨意設(shè)置在轉(zhuǎn)換層上，在十分復(fù)雜的建筑施工中，采用厚板轉(zhuǎn)換能夠有良好效果。厚板轉(zhuǎn)換的缺點(diǎn)是，受力復(fù)雜、傳力途徑難以明確，轉(zhuǎn)換板本身受限制，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換層面剛性突變。如果如此，轉(zhuǎn)換層十分薄弱，難以保障建筑的抗震性能。因此，設(shè)計和施工時謹(jǐn)慎選擇此種形式。

2 高層建筑的設(shè)計原則

高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計原則，應(yīng)該注重概念設(shè)計，重視結(jié)構(gòu)和平立面的規(guī)則性，注意抗震和抗風(fēng)。在抗震效果上，必須使整個結(jié)構(gòu)具有必要的剛度、承載力和延性。

基本要求是：

（1）結(jié)構(gòu)有必要的剛度、變形能力。

（2）因局部破壞不能導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)破壞。

（3）應(yīng)該有多道抗震方式。

（4）避免局部變化和扭轉(zhuǎn)效應(yīng)造成的薄弱部位。

（5）加強(qiáng)可能的薄弱部位。

建筑的合理性和經(jīng)濟(jì)性從設(shè)計階段就應(yīng)重視，概念設(shè)計的重要性還在于方案設(shè)計之初。轉(zhuǎn)換方式的選擇和研究一開始就應(yīng)該貫徹在高層建筑的設(shè)計之初，這是不可或缺的一步。

抗震設(shè)計：

建筑物在遭遇低于設(shè)防烈度的地震時，不損壞可繼續(xù)使用；在遭遇抗震設(shè)防烈度預(yù)估的罕見地震時，不致倒塌或嚴(yán)重破壞。目標(biāo)是“小震不壞，設(shè)防烈度可修，大震不倒”。

在概念設(shè)計時，建筑物的結(jié)構(gòu)布置應(yīng)該對稱、規(guī)則并且受力簡單、傳力合理，具有一定的整體性?？拐鹁褪窃诘卣鸢l(fā)生時，結(jié)構(gòu)在較大位移時結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力無明顯降低，并且維持承受重力載荷的能力，避免建筑破壞。

3 轉(zhuǎn)換層的發(fā)展

3.1 國外轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的發(fā)展

早在1929年，Matel就貢獻(xiàn)了柔性大空間的概念，自此之后，不斷有人對這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。在20世紀(jì)50、60年代，前蘇聯(lián)、東歐的一些專家首先嘗試了通過轉(zhuǎn)換層形成底部大空間的方案。下部為框架結(jié)構(gòu)，上部為剪力墻結(jié)構(gòu)，并且這種柔性底層隔震，提高了高層建筑的抗震能力。從那時起，很多這種結(jié)構(gòu)的高樓大廈都付諸應(yīng)用。但是此種柔性底層建筑的隔震、抗震能力沒有想象的美好。歷史上的地震很多都超過了7.2級，1964～1988年的前南斯拉夫的可比耶大地震等地震中，這樣的建筑沒有能夠抵抗住震動，表現(xiàn)出較低的抗震能力。地震中的很多建筑受到嚴(yán)重破壞，尤其是下部結(jié)構(gòu)，這促使人們進(jìn)一步研究提高建筑的抗震能力。

之后的學(xué)者用位移變形增強(qiáng)了轉(zhuǎn)換層抗震能力，這是一個具有重要意義的實驗成果，控制每層的位移和層間位移角，使數(shù)據(jù)值的大小在合理的極限范圍內(nèi)，以此提高抗震能力。20世紀(jì)90年代，美國的一部分專家對抗震設(shè)計方法和理念進(jìn)行研究，直到現(xiàn)在，相關(guān)的研究和探索一直在進(jìn)行中。

3.2 國內(nèi)的轉(zhuǎn)換層的發(fā)展

在我國，20世紀(jì)70年代開始逐漸應(yīng)用轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，只是在底層設(shè)置大開間剪力墻，僅此而已。1975年，就是在上海天目路建設(shè)了十二層高層建筑的結(jié)構(gòu)住宅樓，并通過應(yīng)力實測、模型試驗和框支剪力墻有限元進(jìn)行分析研究。1986年的中國建筑科學(xué)研究院在地震波的作用下對結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行擬動力實驗研究。此模型是十二層的底層大空間結(jié)構(gòu)，上部是剪力墻結(jié)構(gòu)。通過此實驗得到了一些抗震性能和破壞參數(shù)，并研究了此結(jié)構(gòu)存在的主要問題。1996年，我國的建筑科學(xué)研究院與東南大學(xué)對一榀1/4比例的鋼筋混凝土上部開洞剪力墻轉(zhuǎn)換大梁結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了實驗研究。1999年，同濟(jì)大學(xué)對比分析了高層建筑梁式和桁架式轉(zhuǎn)換層兩種形式在不同載荷下的承載力和破壞形式，結(jié)合實驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了實驗研究分析。2001年，中國建筑科學(xué)研究院抗震研究所研究了轉(zhuǎn)換梁與上部墻體之間的關(guān)系，分析了對轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)承載力的影響。2003年，香港大學(xué)土木工程系對一棟帶有轉(zhuǎn)換梁的七層樓進(jìn)行了抗震性能的研究分析。

近年來，隨著高層建筑使用功能的提高和建筑的多樣化，結(jié)構(gòu)形式也呈現(xiàn)越來越復(fù)雜的趨勢。隨著我國工程經(jīng)驗的不斷豐富積累和科研力量的增強(qiáng)，我國也陸續(xù)推出了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計、內(nèi)力調(diào)整等相關(guān)的規(guī)范，如《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》等。

4 高層建筑轉(zhuǎn)換層設(shè)計注意事項

4.1 保證轉(zhuǎn)換層剛度

轉(zhuǎn)換層的剛度直接決定著轉(zhuǎn)換層的質(zhì)量，決定著生命財產(chǎn)安全，尤其是對于高層建筑來說。轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)部位會使建筑產(chǎn)生突變，導(dǎo)致成為整個建筑的最薄弱的部位，降低建筑抗震性。設(shè)計者在轉(zhuǎn)換層設(shè)計時，應(yīng)該保證其剛度不低于上部結(jié)構(gòu)剛度的70%。因此需要對轉(zhuǎn)換層內(nèi)部剪力墻合理安排，適當(dāng)增大厚度，使用高強(qiáng)度混凝土。還應(yīng)該按照筒體結(jié)構(gòu)布置縱橫墻，嚴(yán)格保障轉(zhuǎn)換層剛度。

4.2 合理安排轉(zhuǎn)換層位置

建筑物的高度越高，建筑內(nèi)部的受力效果越呈現(xiàn)上升趨勢。如果轉(zhuǎn)換層設(shè)置在較高位置，會影響建筑上下層的剛度和受力形式，還會改變轉(zhuǎn)換層內(nèi)部受力狀況，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換層成為最薄弱部位。一般情況下，轉(zhuǎn)換層位置設(shè)置在三層之下較為理想。

5 結(jié)束語

隨著時代的大踏步前進(jìn)，未來的高層建筑的結(jié)構(gòu)會越來越復(fù)雜；但是，隨著我們的研究實驗水平的探索提高，一定能夠滿足時代的變化。目前的轉(zhuǎn)換層高層建筑大量涌現(xiàn)，但是，目前的研究在動力特性和抗震性能方面還有不足，尚需努力。轉(zhuǎn)換層也應(yīng)該多元化發(fā)展，結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工是相輔相成的關(guān)系，經(jīng)過不懈的努力，一定可以完美結(jié)合設(shè)計與施工。