帶轉(zhuǎn)換層高層轉(zhuǎn)換構(gòu)件設(shè)計(jì)及抗震性能研究

黃文生

1 引言

現(xiàn)階段，隨著我國建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，由傳統(tǒng)的大規(guī)模校區(qū)開展逐漸發(fā)展為小規(guī)模的幾棟建筑物組團(tuán)開發(fā)的形式，由原本單純的住宅加公共配套設(shè)施轉(zhuǎn)變?yōu)樯虡I(yè)和住宅一體化的模式。為了適應(yīng)這種轉(zhuǎn)變的需要，要求建筑物商業(yè)的部分跨度、高度更大，靈活性更高，住宅的部分要求具有更加明顯的分區(qū)，保證各套住宅之間的獨(dú)立性。因此，帶轉(zhuǎn)換層高層建筑受到人們的廣泛歡迎。

2 轉(zhuǎn)換層概述

轉(zhuǎn)換層是指設(shè)置轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件的樓層，包括水平結(jié)構(gòu)構(gòu)件和下部的豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不僅包括轉(zhuǎn)換樓板、轉(zhuǎn)換梁等水平構(gòu)件，也包括以下的框架柱和剪力墻等構(gòu)件，圖1為轉(zhuǎn)換層示意圖。

圖1 轉(zhuǎn)換層示意圖

現(xiàn)階段，將轉(zhuǎn)換層分為梁式轉(zhuǎn)換、厚板轉(zhuǎn)換和桁架轉(zhuǎn)換三種形式。

（1）梁式轉(zhuǎn)換層。該形式因其設(shè)計(jì)難度較低、梁式轉(zhuǎn)換受力較為明確，是高層建筑中較為常用的一種轉(zhuǎn)換層類型。當(dāng)轉(zhuǎn)換層的上下結(jié)構(gòu)布置較為規(guī)整，且上部結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件和下部結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件的軸線相互重合或者非常相近時(shí)，采用梁式轉(zhuǎn)換。

（2）厚板轉(zhuǎn)換層。厚板轉(zhuǎn)換是指將上部塔樓的豎向構(gòu)件直接支承在厚板上，運(yùn)用該種方式使得上部的塔樓結(jié)構(gòu)設(shè)置更加靈活。適用于豎向結(jié)構(gòu)錯位較大的情況。

（3）桁架轉(zhuǎn)換層。桁架轉(zhuǎn)換層的受力情況和梁式轉(zhuǎn)換相似，是加強(qiáng)版的梁式轉(zhuǎn)換，當(dāng)所要支承構(gòu)件的中心線和上弦桿的中心線錯位較小時(shí)，可采用桁架轉(zhuǎn)換。桁架轉(zhuǎn)換也分為多種形式，例如鋼桁架、斜桿桁架以及空腹桁架等，具有良好的抗震性能。

3 工程概況

某高層建筑總高度為98m，其中包括住宅23層和裙樓4層，A塔和B塔采用對稱設(shè)計(jì)。塔樓的主要用作住宅，為了保證塔樓住宅的規(guī)整性、私密性和視覺效果，采用純剪力墻結(jié)構(gòu)。裙樓主要用于商業(yè)活動，為了滿足商業(yè)靈活性的需要，應(yīng)該設(shè)置成大開間，采用純框架結(jié)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)塔樓和裙樓結(jié)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)換，應(yīng)該在該高層建筑中設(shè)置轉(zhuǎn)換層，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，將該高層建筑的轉(zhuǎn)換層設(shè)置在第五層的位置。

4 帶轉(zhuǎn)換層高層轉(zhuǎn)換構(gòu)件設(shè)計(jì)

4.1 轉(zhuǎn)換梁設(shè)計(jì)

從受力方面來說，轉(zhuǎn)換梁和一般的框架或者次梁之間具有本質(zhì)的區(qū)別。根據(jù)構(gòu)件的分類可知，一般梁分為壓彎構(gòu)件，即主要承受壓力和彎矩。在建筑結(jié)構(gòu)方面，框架梁的主要作用是和框柱形成一個整體，從而進(jìn)行傳導(dǎo)荷載，次梁主要用于承受上一層樓的墻體荷載。

轉(zhuǎn)換梁的主要作用是支承上部的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，并不是形成框架或者承受砌體墻荷載。該工程的轉(zhuǎn)換梁主要承受上方剪力墻直接傳遞來的線荷載，也可以看作是集中力。所以轉(zhuǎn)換梁的荷載并不是彎矩，而是剪力。轉(zhuǎn)換梁的彎矩圖較為接近直線，與一般梁彎矩圖的曲線不同，十分接近簡支梁在集中荷載作用下的彎矩圖的形狀。

該工程轉(zhuǎn)換層以上的住宅為23層，轉(zhuǎn)換梁承受較大的荷載，因此，應(yīng)該通過增加梁高和梁寬度的方式，不斷的提升其承載力。該工程上部的剪力墻支承在轉(zhuǎn)換梁上，在支承的附近有較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大內(nèi)力出現(xiàn)在支承處和支座位置。因此，本工程在建立完成梁式轉(zhuǎn)換層以后，在構(gòu)件錯位處布置好剛性桿，然后調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)，將相應(yīng)的樓層設(shè)置為轉(zhuǎn)換層后，將相應(yīng)的梁設(shè)置成轉(zhuǎn)換梁后，通過相應(yīng)的軟件進(jìn)行計(jì)算即可。

4.2 轉(zhuǎn)換厚板設(shè)計(jì)

若本工程采用轉(zhuǎn)換厚板設(shè)計(jì)，那么相對于梁式轉(zhuǎn)換來說，具有更高的復(fù)雜性。這是由兩個方面的原因決定的：①由于在進(jìn)行有限元分析時(shí)，混凝土樓板較混凝土梁更加復(fù)雜；②厚板轉(zhuǎn)換本身的受力不合理，傳力路徑比梁式轉(zhuǎn)換更加復(fù)雜。因此，本文對轉(zhuǎn)換厚板設(shè)計(jì)從以下三個方面，進(jìn)行簡要的分析。

（1）進(jìn)行有限元分析，通過對只計(jì)算自重、附加恒載以及活載時(shí)的撓度值，分析和判斷模型的準(zhǔn)確性。

（2）利用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，對厚板抗沖切、剪切等問題進(jìn)行復(fù)核。

（3）通過進(jìn)行建模分析，對樓板最大的應(yīng)力和應(yīng)變值進(jìn)行復(fù)核，判斷其是否超過應(yīng)力和極限應(yīng)變。

5 抗震性能研究

5.1 地震的成因

地震的成因分為構(gòu)造地震和非構(gòu)造地震兩種，構(gòu)造地震就是指由于地區(qū)內(nèi)部的巖層構(gòu)造發(fā)生錯動而產(chǎn)生的地震，地球響超過90%的地震都是構(gòu)造地震。非構(gòu)造地震是指由于火山爆發(fā)、巖層坍塌或者抽水注水等引起的地震，該種地震發(fā)生的頻率較小，影響范圍相對構(gòu)造地震來說也較小。本文主要研究構(gòu)造地震下的帶轉(zhuǎn)換層高層建筑的抗震性能。

5.2 地震波、震級和烈度

5.2.1 地震波

地震波是指從震源位置產(chǎn)生并向四周輻射的彈性波，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生以后，震源區(qū)的介質(zhì)將會發(fā)生急速的破裂和運(yùn)動，這種波動現(xiàn)象將會形成一個波源。受到地球介質(zhì)連續(xù)性的影響，這種波動會向地球內(nèi)部和表層的各個方向傳播，從而形成彈性波。根據(jù)傳播方式，將地震波分為縱波、橫波和面波三種，縱波是推進(jìn)波，在地殼中的傳播速度為5.5～7km/s，會使地面發(fā)生上下振動，破壞性不強(qiáng)。橫波是剪切波，在地殼中的傳播速度為3.2～4.0km/s，使地面發(fā)生前后左右的抖動，具有將強(qiáng)的破壞性。面波是縱波和橫波在地表相遇以后形成的混合波，是導(dǎo)致建筑物強(qiáng)烈破壞的主要因素。

5.2.2 震級

震級是指地震規(guī)模的大小，地震越大，震級的數(shù)字越大，現(xiàn)階段世界已知的最大震級為9.5級。震級和烈度不同，震級表示地震本身的強(qiáng)弱，與震源發(fā)出的地震波能量相關(guān)，震級越大的地震，釋放越多的能量，震級越小的地震，釋放的能量較小。我國一般采用里氏震級，小于2.5級的地震為小地震，在2.5～4.7之間的地震稱為有感地震。震級每相差1.0級，能量相差大約30倍。

5.2.3 烈度

地震烈度是指地震對地面和房屋建筑物受到影響的破壞程度。同一地震，不同地區(qū)受到地震影響的破壞程度不同，地震的烈度也不相同?？梢愿鶕?jù)人的感覺或者物品的振動破壞情況，判斷烈度的大小。一般情況下，距離震源越近，破壞絕大，烈度較大。

5.3 抗震設(shè)計(jì)基本要求

對于地震烈度大于Ⅵ度的地區(qū)，應(yīng)該根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，在確定抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，如果標(biāo)準(zhǔn)較高，將會提升建筑物的造價(jià)，如果標(biāo)準(zhǔn)較低，將會導(dǎo)致建筑物的安全性不夠。因此，我國利用根據(jù)建筑物的重要性分類以及三水準(zhǔn)設(shè)防和來那個階段設(shè)計(jì)的抗震設(shè)計(jì)基本要求。三水準(zhǔn)是指小震不壞、中震可修和大震不倒。

（1）在第一水準(zhǔn)小震不壞烈度下，建筑結(jié)構(gòu)處于正常的使用狀態(tài)。

（2）第二水準(zhǔn)中震可修的烈度為基本烈度，在此種情況下，建筑結(jié)構(gòu)處于非彈性工作階段，需要在可修復(fù)范圍內(nèi)。

（3）第三水準(zhǔn)大震不倒，為罕遇烈度，在此種情況下，建筑結(jié)構(gòu)具有較大的非彈性形變，但不會出現(xiàn)倒塌。

通過以上分析可知，在建筑結(jié)構(gòu)的中間位置設(shè)置轉(zhuǎn)換層以后，建筑結(jié)果的豎向構(gòu)件被打斷，上部的荷載必須先傳遞到轉(zhuǎn)換層的構(gòu)件之上，再通過轉(zhuǎn)換層構(gòu)件向下傳遞，傳力不合理。因此，必須做好該高層建筑的大震彈塑性變形驗(yàn)算。

5.4 抗震性能研究方法分析

現(xiàn)階段，存在以下三種建筑物的抗震性能分析研究方法：①小震和中震彈性分析，也稱為反應(yīng)譜分析法。②大震彈塑性分析的靜力彈塑性分析方法，也成為精力推覆分析法。③大震彈塑性分析的動力彈塑性分析方法。一般的建筑物只需要采用第一種方法，即反應(yīng)譜分析法，對于高度較大且豎向和平面布置不規(guī)則的建筑，不僅應(yīng)該采用第一種反應(yīng)譜分析法，還應(yīng)該進(jìn)行大震彈塑性分析的靜力或者動力彈塑性分析方法。

6 結(jié)束語

綜上所述，隨著現(xiàn)代建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，帶轉(zhuǎn)換層高層建筑將會越來越普遍，這對轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)提出了更高的高求。對此，本文分析了帶轉(zhuǎn)換層高層轉(zhuǎn)換構(gòu)件設(shè)計(jì)及抗震性能的研究分析，為帶轉(zhuǎn)換層高層建筑的設(shè)計(jì)提供了一些建議。

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