帶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

徐吉軍

【摘要】隨著城市化進程的不斷推進，我國城市土地資源緊缺問題正日益嚴(yán)峻，在此背景下，城市中的建筑正越來越多的趨向高層建筑發(fā)展。高層建筑將大部分建筑空間延伸到了上層，從而大大節(jié)省了土地資源，但與此同時，其各方面的設(shè)計難度也更大。尤其是很多高層建筑帶有結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，這更是一項難點設(shè)計部分。本文主要分析了帶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計問題。

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

近年來，城市中的高層建筑數(shù)量及規(guī)模正在與日俱增，隨著一棟棟“摩天大樓”的拔地而起，對它們的設(shè)計也提出了更高的要求。就現(xiàn)實情況來看，我國大部分的高層建筑都采用了帶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)形式，其主要目的是提高建筑的功能與性能。但是，帶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計之時的難度也比一般高層建筑更大，需要綜合考慮到各方面的影響因素。以下就聯(lián)系實際來談?wù)剮ЫY(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)問題，僅作拋磚引玉之用。

1、高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的概念及特點

當(dāng)高層建筑的上、下兩部分使用功能存在差異時，通常會在上、下兩部分采用不同的結(jié)構(gòu)方案，而在這種情況下，就需要運用到轉(zhuǎn)換層來對上、下結(jié)構(gòu)進行轉(zhuǎn)換。高層建筑的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)大多位于建筑中部，主要功能是轉(zhuǎn)換建筑自身的外力荷載，所以轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)既要承受建筑的重力荷載、又要支撐建筑下部分的懸掛構(gòu)建荷載?；诖?，高層建筑的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)一般具有如下特征：第一，具有很大的內(nèi)力，足以同時承受上層重力和下層懸掛力;第二，具有很大的跨度，垂直撓度也隨之增加;第三，具有很大的構(gòu)件截面面積，使之具備足夠的剛度和強度。

2、帶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

在帶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，主要需要遵循以下幾點設(shè)計原則：第一，在設(shè)計過程中應(yīng)當(dāng)要把握好不同樓層之間的受力控制問題，保證受力結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)換層的核心選擇最可靠的受力結(jié)構(gòu);第二，在設(shè)計過程中應(yīng)當(dāng)要將高層建筑結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)換層的位置適當(dāng)放低，因為如果轉(zhuǎn)換層的位置過高的話，則下層的懸掛荷載會發(fā)生超重，從而增加轉(zhuǎn)換層的壓力;第三，在設(shè)計過程中應(yīng)當(dāng)要科學(xué)確定轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的形式，根據(jù)高層建筑自身的結(jié)構(gòu)及受力狀況來合理確定外力傳遞模式，從而更加準(zhǔn)確的計算出應(yīng)力;第四，在設(shè)計過程中應(yīng)當(dāng)要合理確定轉(zhuǎn)換層的剛度，剛度既不能過大、也不能過小;第五，在設(shè)計過程中應(yīng)當(dāng)要做好建模工作，上傳詳細(xì)的設(shè)計數(shù)據(jù)，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙，按照一定的比例輸出，確保建模效果;第六，在設(shè)計過程中應(yīng)當(dāng)要至少采用兩種計算模型進行整體建筑結(jié)構(gòu)計算，合理分析結(jié)構(gòu)的彈塑性、抗震能力以及載荷能力等。只有在實際設(shè)計過程中充分遵循上述設(shè)計原則，才能夠有效保證帶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計效果符合預(yù)定目標(biāo)。

3、常見的高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)類型及其設(shè)計方法

3.1箱式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

箱式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)主要是由單箱托梁和雙向托梁聯(lián)系起來組成的一個整體。通過在高層建筑中使用箱式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，可以有效增強轉(zhuǎn)換層的剛度、保證結(jié)構(gòu)的完整性、提高結(jié)構(gòu)受力的均勻性。不過，箱式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)存在著很多局限之處。當(dāng)高層建筑的上層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜之時，采用箱式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)會在很大程度上影響到垂直方向的外力傳遞。在實際設(shè)計過程中，箱式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)還會占用大量的樓層空間，從而影響到樓層功能，因此只能夠?qū)⑵渥鳛樵O(shè)備層。再者，箱式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的垂直向構(gòu)件的剪力墻與其他設(shè)備管線之間容易出現(xiàn)位置重疊，且內(nèi)力構(gòu)成頗為復(fù)雜，因此整體施工難度較大、施工成本較高?；诖?，目前箱式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍不是十分廣泛。

3.2梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的主要原理是通過垂直傳遞外力而將墻轉(zhuǎn)換為梁柱，優(yōu)勢在于可以大大提升結(jié)構(gòu)的承載力。其次，梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的外力傳遞效果較好、傳遞路徑較為清晰，從總體上而言，其各方面性能都較為突出。再者，在實際設(shè)計過程中，梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的設(shè)計難度也較低，無論是對其的內(nèi)力分析還是計算，都較為簡單，以及還可以有效控制成本。因此，目前梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用比較廣泛，我國大多數(shù)高層建筑也都是采用的這種轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。

3.3桁架式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

桁架式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)可以看作是梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的另一種發(fā)展形式。一般情況下，桁架式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中的承重結(jié)構(gòu)的主要組成是榀量較多的鋼筋混凝土桁架。在桁架式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的上層通常會安裝上弦桿，而在其下層則會安裝下弦桿，另外在各層之間最好還要安裝上腹桿。與傳統(tǒng)的梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)相比，桁架式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的整體性能更為優(yōu)越。具體來說，首先桁架式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)具有很好的整體性和更加明晰的力傳播路徑，在實際設(shè)計過程中的難度更低;其次，由于桁架的高度非常高，因此可以大大減少下弦桿的截面積，從而更加有利于提升空間利用率，同時轉(zhuǎn)換層的功能也更加豐富;第三，由于桁架式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的重力很小，因此可以大大提升承載性能乃至管道安裝后的抗震性能。當(dāng)然，桁架式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)也并非沒有缺點，由于其在設(shè)計過程中需要遵循“強斜腹桿，強節(jié)點”的原則，因此節(jié)點荷載影響因素較多，且若樓層的高度不大時，斜壓腹桿容易成為超短柱，抗震性有所不足。

3.4厚板厚梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

由于部分高層建筑的上、下層柱網(wǎng)分布均勻性較差及軸線分布較為繁雜，所以僅采用傳統(tǒng)的托梁往往無法起到有效的承托作用，若想充分發(fā)揮出其承托作用，需要增加托承板的厚度。在此背景下，厚板厚梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)應(yīng)運而生。厚板厚梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)主要是由混凝土材料構(gòu)成的，應(yīng)用它可以在布置上層柱網(wǎng)時無需遵守嚴(yán)格的規(guī)定。但厚板厚梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)也存在一些缺點，例如其結(jié)構(gòu)傳力路徑非常模糊，無法采用有限元分析法進行分析和計算，因此實際設(shè)計難度較大。再者，在其承力柱墻上需要設(shè)置配筋以確保穩(wěn)定性，且要求轉(zhuǎn)換層具有良好的縱向承載力。另外，厚板厚梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)還具備一切混凝土結(jié)構(gòu)所存在的缺陷，例如成本較高、容易出現(xiàn)裂縫和混凝土脫落等。因此，如果想要采用厚板厚梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的話，需要先充分考慮到實際情況是否合適，而不能盲目使用。

結(jié)語：

綜上所述，高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的主要功能是轉(zhuǎn)換建筑自身的外力荷載，其往往具有很大的內(nèi)力、很大的跨度以及很大的構(gòu)件截面面積。常見的高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)類型有箱式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)、梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)、桁架式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)、厚板厚梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)等，每種都各有優(yōu)缺點，在設(shè)計中一方面要結(jié)合實際情況合理選擇轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)類型，另一方面要嚴(yán)格遵循相關(guān)設(shè)計原則。

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