轉換層結構特點及新型轉換層結構

摘要:轉換層根據設計形式的不同,可作正常使用層、設備層和非用層。轉換層通常有桁架式、箱型、空腹桁架、梁式、厚板這幾種。文章論述了轉換層結構的分類、各類型的特點及其應用、新型轉換層結構等。

關鍵詞:轉換層;結構特點;新型轉換層結構

中圖分類號:TU375 文獻標識碼:A

文章編號:1674-1145(2009)20-0095-02

一、轉換層結構特點分析

轉換層可由建筑物高度方向任意布置,一般用在5～6層位置較多。轉換層根據設計形式的不同,可作正常使用層、設備層和非用層。轉換層通常有桁架式、箱型、空腹桁架、梁式、厚板這幾種。

(一)梁式(圖1、2)

這種轉換層形式應用最為廣泛,其設計施工都較為方便,受力明確,荷載傳遞直接,一般用于上下層軸線布置較為規則的情況。當需要縱橫同時轉換時,則采用雙向梁布置。而對于框筒或筒中筒結構,由于外框筒一般柱距較密,在底部如口處,由于出入口的需要,有時把外筒的柱減少,這就需要在上下層交接處做一根轉換大梁,把上面傳下來的荷載傳至下部大柱上。但梁式轉換層不確定的地方在于,當上下軸線不對齊,轉換次梁較多時,空間受力較復雜,在轉換梁端易于出現裂縫,且轉換主梁在水平荷載易產生較大扭矩。由于梁的抗扭強度很小,單向托梁對其上的框支撐在梁平面外的變形約束很小,容易造成上部結構在水平荷載作用下變形過大從而造成結構破壞。所以在工程中一般采用雙向梁。

(二)箱式(圖3)

當轉換梁縱橫交錯形成密肋梁時,梁連同上下層厚樓板共同作用便形成箱式轉換層。其優點是交叉梁系整體性好,上下傳力較為均勻,克服了單向托梁的那種抗扭強度低的缺點,而且一般來說,中間層還可使用。缺點是箱形轉換層的質量跟剛度都太大,地震反應激烈,在地震荷載作用下鄰層破壞較為嚴重,而且施工復雜,難度較高。由于開洞多,所以通常僅用于設備層。箱形轉換層在鐵路工程中是常見的結構形式,用于房屋結構則較少,深圳荔景大廈采用了箱形轉換層。

(三)桁架式(空腹桁架式轉換層)(圖4、5)

對于下部是商場需要大凈空面積,上部是住宅為小空間布局的高層建筑,一般要設管道設備層,而根據上下柱網的軸線位置而設置桁架轉換層則可巧妙地解決此問題。桁架上部的墻或柱通過珩架傳給下部的墻或柱,管道則可以利用桁架間的空間穿行,做到各取所需,兩全其美。

(四)厚板式(圖6)

對于上下柱網軸線錯位較多,梁式轉換層難以使用時,可用厚板式轉換層。厚板的厚度很大,且抗剪截面很大,形成一個大剛度的承臺。在厚板轉換層內設置暗梁,能承受上部結構傳來的集中荷載并均勻傳給下部結構,所以厚板轉換層的下層柱網可以靈活布置,無須與上面的柱網對齊,所以給上下的結構布置帶來很大的方便。厚板式轉換層在解決建筑功能與建筑結構的矛盾方面有其自身的優勢,它可以使高層建筑在轉換層上下的墻、柱軸線不受任何限制,因而可以合理地布置構件,改善整體結構的受力情況。它特別適用于體型復雜、功能繁多的結,能夠更為靈活地實現建筑物的功能,真正體現高層建筑的優勢。這是其他形式的轉換層結構所不能比擬的,因此國內外用厚板轉換層的工程實例不在少數。厚板的板厚可根據柱網尺寸和上部結構的荷載綜合確定。此外,厚板轉換層施工極為方便。但也有如下幾個缺點:(1)厚板轉換層體系自重大;(2)材料消耗大,經濟性差;(3)厚板的剛度和質量都很大,地震反應大,上下鄰層振動破壞大。因此工程中除非別無他法,否則一般不采用厚板轉換層。

(五)巨型框架式(圖7)

當任意需要敞開空間或改變柱列布置時,還可以在結構的一處或多處布置轉換層。轉換層可以分段布置(圖7.a),形成大框架套小框架的巨型框架結構,可間隔布置(圖7.b),也可拖掛相兼(圖7.c)。

二、新型轉換層結構

(一)預應力拱式轉換層結構

豎向荷載作用下拱式轉換層結構受力性能表明上、下弦桿截面的設計應考慮軸力的影響,必須適當地控制上、下弦桿的線剛度比。上下弦桿線剛度比應該有一個合適的比例,由于下弦桿存在較大的拉力,因此可在下弦桿施加預應力,形成預應力拱式轉換層結構,斜腹桿軸壓力較大,可采用鋼管混凝上,以改善該構件的受力性能,另外還必須適當地控制拱高跨比。經分析,拱高跨比取值范圍為一,較為合理。拱式轉換層小震作用下的彈性反應表明結構的絕對位移和層間位移角在轉換層處發生突變,等效側向剛度比對兩者影響較大。樓層剪力在轉換層處會發生突變,等效側向剛度比偏離較遠時,地震作用突變較劇烈。等效側向剛度比為一較合適。拱式轉換層可以爭取較大的建筑空間,鋼筋及混凝土等材料用量明顯少于梁式轉換層,故拱式轉換層結構優于梁式轉換層。

(二)搭接柱轉換結構

當框架一核心筒結構外圍框架柱網錯開時,若采用梁式轉換結構,樓板受力較小,轉換梁承受很大的內力(彎矩和剪力),將造成轉換梁截面大,用鋼量大,施工復雜,同時轉換層可利用空間較少。此外,由于轉換梁剛度大、自重大,轉換層附近剛度和質量分布不均勻,當轉換層為高位轉換時,對抗震尤為不利。采用搭接柱作為轉換構件,混凝土用量較少、造價低、自重小,轉換層本層建筑空間可充分利用,上、下層剛度突變較小,外圍框架柱的軸力較小。搭接柱轉換結構的工作原理:搭接柱轉換結構在重力荷載作用下的安全度和可靠度,主要取決于搭接塊相連樓蓋梁板的承載能力和軸向剛度的控制。樓蓋梁板的承載能力和軸向剛度得到控制和滿足,重力荷載作用下,次內力(柱、梁、板、墻的彎矩、剪力)及搭接柱變形就能受到控制,整個搭接柱轉換結構就能正常工作。搭接塊相連樓蓋梁板承載能力和軸向剛度控制是搭接柱轉換結構重力荷載作用下正常工作的關鍵技術。

(三)錯列桁架式

這種結構可使高層建筑在每層都有兩個柱距的無間隔空間,而樓板的跨距僅為一個柱距。樓板系統在每個開間上可以一邊支承在一個桁架上弦上,另一邊則吊掛在其相鄰桁架的下弦。當然,缺點也是明顯的,就是形成幾層樓的結構跟建筑都不規整,還有豎向荷載轉換效果比不上別的轉換結構形式。錯位轉換層整體位置的豎向移動對結構整體剪力、上部轉換層下承托墻肢內力、上部轉換層框支剪力墻內力影響不大,但對落地剪力墻、上部轉換層下框支柱和下部轉換層梁托柱內力有較大影響。錯列桁架式雖不常見,但這種復雜的轉換層結構在工程中已有實例。

(四)組合轉換層

高層建筑常采用框筒結構或框筒與其他結構組成的混合結構。當采用外框筒時,外筒一般在3m以內,無法在底部為高層建筑提供大入口,同時為了建筑立面的需要而抽去外框架的柱子,形成底部大柱距的筒體結構。在抗震設計中,內框筒跟外框柱都要承擔較大的地震剪力和傾覆力矩,承力構件如果不連續,就會出現抗震薄弱環節,因此要設轉換層,并加大底層柱面積。外框筒的轉換層可采用轉換梁、轉換桁架、桁架拱等。

參考文獻

[1]區王生.帶轉換層高層建筑結構的靜力及動力計算方法的研究[D].中國優秀碩士學位論文全文數據庫,2004,(8).

[2]梁炯豐.拱式轉換層結構彈性性能研究[D].中國優秀碩士學位論文全文數據庫,2007,(6).

作者簡介:區王生(1980- ),男,供職于廣西電力工業勘察設計研究院,研究方向:設計。