高層建筑中的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)研究

崔晨光

（太原理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院 山西太原 030024）

0 引言

在當(dāng)前城市的建筑中層建筑的建設(shè)越來(lái)越廣泛，其功能性極強(qiáng)，多功能的建筑在設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理布局。高層建筑在結(jié)構(gòu)方面，為了滿足特定的建筑功能，通常會(huì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層因此在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員必須對(duì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，以保證建筑的質(zhì)量和使用安全[1-2]。

1 轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)及作用分析

轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)要基于建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)應(yīng)功能的調(diào)節(jié)，依據(jù)不同樓層所在位置對(duì)轉(zhuǎn)換層的性能、功能作出要求，使其能承上啟下，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的功能轉(zhuǎn)換，通過(guò)對(duì)設(shè)施、空間等要素的搭配結(jié)構(gòu)需求，結(jié)合高層建筑中的結(jié)構(gòu)承載進(jìn)行商業(yè)、住宅等多種類型的需求。

2 高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式

高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式較多，常見(jiàn)的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式主要有梁式轉(zhuǎn)換層、箱式轉(zhuǎn)換層、板式轉(zhuǎn)換層、桁架轉(zhuǎn)換層、斜柱轉(zhuǎn)換層和巨型框架轉(zhuǎn)換層，以下筆者就上述轉(zhuǎn)換層進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述：

2.1 梁式轉(zhuǎn)換層

梁式轉(zhuǎn)化層是高層建筑中最為常用的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，其載荷力傳導(dǎo)直接，同時(shí)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析簡(jiǎn)便，成本造價(jià)較低。梁式轉(zhuǎn)化層結(jié)構(gòu)采用轉(zhuǎn)換梁作為承載結(jié)構(gòu)，分為托墻和托柱兩種方式，其施工材料可以采用鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土和鋼結(jié)構(gòu)。在實(shí)際工程中，轉(zhuǎn)換梁的跨度要綜合考慮上層墻體的層數(shù)，其常用的跨度為6～12m，轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選擇與受力性能以及形式有直接關(guān)系，托柱式轉(zhuǎn)換梁界面的設(shè)計(jì)可以按照普通截面的配筋計(jì)算方式，如果上部的承載部分為上部斜桿框架，應(yīng)采用偏心受拉構(gòu)件界面設(shè)計(jì)，而對(duì)于托墻式的截面設(shè)計(jì)，要計(jì)算其縱向鋼筋的分布狀況，對(duì)開(kāi)門較多的墻體，也可以采用深梁截面設(shè)計(jì)方法或應(yīng)力截面設(shè)計(jì)方法。

2.2 箱式轉(zhuǎn)換層

箱式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)主要由單向托梁及雙向托梁構(gòu)成。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中為了加強(qiáng)上下層結(jié)合的效果，需做好混凝土澆筑施工。箱式轉(zhuǎn)換層在結(jié)構(gòu)剛度和整體性上優(yōu)勢(shì)十分明顯。

2.3 板式轉(zhuǎn)換層

板式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)是在厚板組合轉(zhuǎn)換下形成的一種轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為發(fā)揮板式轉(zhuǎn)換層的功能，需考慮建筑的抗剪能力、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗沖能力，并以此為基礎(chǔ)明確轉(zhuǎn)換板的厚度。轉(zhuǎn)換板的厚度多為2～2.8cm，但下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中也會(huì)產(chǎn)生較多的材料消耗，施工難度較大。為此，在使用板式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)時(shí)需綜合考慮多種影響因素，以提升高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平。

2.4 桁架轉(zhuǎn)換層

桁架式轉(zhuǎn)換層是對(duì)梁式轉(zhuǎn)換層的擴(kuò)展，其整個(gè)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土的桁架組成，桁架的上下弦桿作為上下樓面結(jié)構(gòu)層，中間設(shè)置腹桿。這種轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整體性較好，受力狀況更加穩(wěn)定，同時(shí)轉(zhuǎn)換層的自身重量較小，具有良好的抗震性能。但是桁架式轉(zhuǎn)換層對(duì)施工技術(shù)提出一定的要求，尤其是對(duì)“強(qiáng)斜腹桿，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)的控制。

2.5 斜柱轉(zhuǎn)換層

應(yīng)用斜柱轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)時(shí)，水平荷載的水平較高，設(shè)計(jì)人員要以建筑平面布置為基礎(chǔ)對(duì)其予以全面考察，高度關(guān)注結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性。另外，為有效控制水平荷載，也可采用拉梁或圈梁維持受力平衡，高度利用結(jié)構(gòu)空間。轉(zhuǎn)換斜柱通常需穿過(guò)多個(gè)樓層，以減輕上下層結(jié)構(gòu)水平作用力的負(fù)面作用。

2.6 巨型框架轉(zhuǎn)換層

巨型框架轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)了實(shí)踐的檢驗(yàn)和理論的積累，成為了轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的主流發(fā)展趨勢(shì)。巨型框架轉(zhuǎn)換層主要由豎向筒體和巨型梁構(gòu)成，結(jié)構(gòu)的抗震性能優(yōu)越，也符合超高層建筑結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的要求增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。

3 高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)-以梁式轉(zhuǎn)換層為例

高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有系統(tǒng)性和復(fù)雜性，且轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的效果直接影響了高層建筑結(jié)構(gòu)的性能。因此，在轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員需熟練掌握設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并按照設(shè)計(jì)規(guī)范和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，完成設(shè)計(jì)工作。以下筆者以梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，分析高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

3.1 轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計(jì)

高層建筑轉(zhuǎn)換層截面設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)考慮梁的受力性能和轉(zhuǎn)換層的受力方式。并以此為基礎(chǔ)科學(xué)選擇參數(shù)計(jì)算方式。轉(zhuǎn)換梁截面主要分為兩種形式：①托柱截面；②拖墻截面。在托柱式轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員要將轉(zhuǎn)換梁截面的尺寸作為控制要點(diǎn)，其受力形式與普通梁結(jié)構(gòu)的受力形式十分相似，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員需深入考量配筋的概況，隨后方可選擇計(jì)算方法。若轉(zhuǎn)換梁承托結(jié)構(gòu)選擇斜桿框架形式，則軸向拉力也會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生顯著的影響。在截面設(shè)計(jì)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)實(shí)際采用深梁截面設(shè)計(jì)形式完成梁截面設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中所使用的鋼筋數(shù)量要經(jīng)專業(yè)的計(jì)算公式確定，從而優(yōu)化梁高配置。

3.2 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)

在轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)工作中，豎向剛度突變和豎向側(cè)力構(gòu)件問(wèn)題是引發(fā)轉(zhuǎn)換層傳力突變的主要因素。受到強(qiáng)震的作用，結(jié)構(gòu)中相對(duì)較弱的位置也會(huì)形成較大的應(yīng)力，要想在增大轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)，提高下部結(jié)構(gòu)剛度，則需采取多種措施增大轉(zhuǎn)換層周圍的強(qiáng)度，確保水平剪力的順暢傳遞，嚴(yán)格控制地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞性。

3.3 轉(zhuǎn)換層分析計(jì)算方法

設(shè)計(jì)人員完成結(jié)構(gòu)層整體計(jì)算工作后，應(yīng)采用專業(yè)的平面有限元計(jì)算軟件分析計(jì)算轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，且就局部應(yīng)力采取多種手段做好補(bǔ)充計(jì)算工作。局部應(yīng)力分析中，工作人員需確保轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的上層及下層均位于計(jì)算模型內(nèi)部，然后結(jié)合樓層樓蓋平面考量結(jié)構(gòu)的剛度。在計(jì)算框支剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)，其要求十分細(xì)致，上部剪力墻應(yīng)與下層支柱緊密連接。若采取不恰當(dāng)?shù)倪B接方法，則會(huì)產(chǎn)生較大的連接誤差。

3.4 轉(zhuǎn)換大梁設(shè)計(jì)要點(diǎn)

梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)換層樓板要將上層的水平剪力順利地傳遞至下層的建立結(jié)構(gòu)上，此時(shí)轉(zhuǎn)換層樓板也會(huì)受到平面內(nèi)剪力的影響，結(jié)構(gòu)需同時(shí)承受豎向荷載，以期增大樓板結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度。此外，轉(zhuǎn)換層大梁承擔(dān)了上部剪力墻或上部柱體結(jié)構(gòu)的豎向傳載任務(wù)，轉(zhuǎn)換層大梁自身需要承受較大的應(yīng)力，這也成為了結(jié)構(gòu)抗震中十分重要的環(huán)節(jié)。為此，設(shè)計(jì)人員務(wù)必高度重視大梁設(shè)計(jì)的科學(xué)性與合理性。

3.5 轉(zhuǎn)換層抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)中設(shè)有轉(zhuǎn)換層，而這也影響了建筑物剛度分布的均勻性。轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的豎向承載力和墻柱截面發(fā)生了較大的變化，相應(yīng)的傳力線路也隨之發(fā)生了明顯的改變，進(jìn)而破壞剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能。為維護(hù)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性，設(shè)計(jì)人員應(yīng)在三層或以上樓層設(shè)計(jì)中，做好墻柱的加強(qiáng)和加固處理。

3.6 托墻形式轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計(jì)要點(diǎn)

若轉(zhuǎn)換梁承受的上部墻體并未開(kāi)洞，則需確保轉(zhuǎn)換梁及上部墻體同時(shí)完成各項(xiàng)工作，此時(shí)，結(jié)構(gòu)受力和破壞的程度較大。對(duì)此，設(shè)計(jì)人員在轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計(jì)中通常采用應(yīng)力截面設(shè)計(jì)和深梁設(shè)計(jì)，且沿圈梁高計(jì)算縱向鋼筋，加大分部控制的力度。此時(shí)，轉(zhuǎn)換梁的跨度相對(duì)較大，底部縱向鋼筋應(yīng)保持平直狀態(tài)，工作人員要確保鋼筋均可深入至支座內(nèi)部。

4 結(jié)論

高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)是建筑物中關(guān)鍵的一環(huán)，因此其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要從工程實(shí)際、建筑空間分布、建筑結(jié)構(gòu)受力、承載力分布等多個(gè)方面進(jìn)行考慮，選擇合適的結(jié)構(gòu)形式，從而提高轉(zhuǎn)換層的抗剪切力和承載能力，提高整體結(jié)構(gòu)的安全性。同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要強(qiáng)化關(guān)鍵施工要點(diǎn)的設(shè)計(jì)，嚴(yán)格遵守施工流程，切實(shí)提高工程質(zhì)量。