對建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計的探討

鄧文昌

（江門市蓬江建筑設(shè)計院有限公司，廣東 江門 529000）

轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)置，使用以完成上下不同柱網(wǎng)、不同開間、不同結(jié)構(gòu)形式的轉(zhuǎn)換。結(jié)構(gòu)上的轉(zhuǎn)換層是指在整個建筑結(jié)構(gòu)體系中，合理解決豎向結(jié)構(gòu)的突變性轉(zhuǎn)化和平面的連續(xù)性變化的結(jié)構(gòu)單元體系。為得到有保證的結(jié)構(gòu)設(shè)計，下面就建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)事項(xiàng)進(jìn)行探討。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的特點(diǎn)

近年來高層建筑發(fā)展迅速，建筑朝體型復(fù)雜、功能多樣的綜合性方向發(fā)展，因而相應(yīng)的結(jié)構(gòu)形式也復(fù)雜多樣。后來陸續(xù)開始在高層住宅底層設(shè)置生活福利設(shè)施，并且開始大量興建集吃、住、辦公、購物、停車等為一體的多功能綜合性高層建筑，尤其是在城市主干道兩側(cè)，并已成為現(xiàn)代高層建筑的一大趨勢。 轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件需要承受其上部結(jié)構(gòu)所傳下來的巨大豎向荷載或懸掛下部結(jié)構(gòu)的多層荷載，使得轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力很大，豎向荷載成了控制轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計的主要因素。轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件通常具有數(shù)倍于上部結(jié)構(gòu)的跨度，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件的豎向撓度成為嚴(yán)格控制的目標(biāo)。因此為保證轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度和剛度，致使結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸不可避免地高而大。結(jié)構(gòu)中由于設(shè)置了轉(zhuǎn)換層，沿建筑物高度方向剛度的均勻性會受到很大的破壞，力的傳遞途徑有大的改變，為豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)，這決定了轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)不能以通常結(jié)構(gòu)來進(jìn)行分析和設(shè)計。豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)的定義見抗規(guī)第3.4.2條規(guī)定，豎向不規(guī)則的類型見表1。

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2 轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)布置

底部帶轉(zhuǎn)換層的建筑結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層上部的部分豎向構(gòu)件不能直接連續(xù)貫通落地，因此，必須設(shè)置安全可靠的轉(zhuǎn)換構(gòu)件。按現(xiàn)有的工程經(jīng)驗(yàn)和研究結(jié)果，轉(zhuǎn)換構(gòu)件可采用轉(zhuǎn)換大梁、析架、空腹析架、斜撐、箱形結(jié)構(gòu)以及厚板等形式。

由于轉(zhuǎn)換厚板在地震區(qū)使用經(jīng)驗(yàn)較少，可在非地震區(qū)和6度抗震設(shè)計時采用，對于大空間地下室，因周圍有約束作用，地震反應(yīng)小于地面以上的框支結(jié)構(gòu)，故7度，8度抗震設(shè)計時的地下室可采用厚板轉(zhuǎn)換層。

落地剪力墻和框支柱的布置對于防止轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)在地震中倒塌將起十分重要的作用。

高規(guī)規(guī)定了幾條重要原則:帶轉(zhuǎn)換層的筒體結(jié)構(gòu)的內(nèi)筒應(yīng)全部上、下貫通落地并按剛度要求增加墻厚;框支剪力墻結(jié)構(gòu)要有足夠的剪力墻上、下貫通落地并按剛度比要求增加墻厚;長矩形平面的框支剪力墻結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)計時，其落地剪力墻的間距按原規(guī)程適當(dāng)加嚴(yán)，比原規(guī)程增加了限制落地柱周圍的樓板不應(yīng)錯層的規(guī)定。這幾點(diǎn)的原則是防止轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)破壞的基本要求，特別是對于抗震設(shè)計的結(jié)構(gòu)，要求更加嚴(yán)格。

遵守這些原則就可控制剛度突變，減少內(nèi)力傳遞的突變程度縮短轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)內(nèi)力傳遞途徑，保證轉(zhuǎn)換層樓蓋有足夠的剛度以傳遞不同抗側(cè)力結(jié)構(gòu)之間的剪力，防止框支柱因樓蓋錯層發(fā)生破壞。

框支剪力墻轉(zhuǎn)換梁上一層墻體內(nèi)不宜設(shè)邊門洞、中柱上方不宜設(shè)門洞。試驗(yàn)研究和計算分析說明，這些門洞使框支梁的剪力大幅度增加，邊門洞小墻肢應(yīng)力集中，很容易破壞。此外，落地剪力墻和筒體的洞口宜在墻體的中部，以便使落地剪力墻各墻肢受力比較均勻。

3 轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計

帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)中，由于設(shè)置了轉(zhuǎn)換層，沿建筑物高度方向剛度的均勻性受到很大的破壞，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)豎向承載力構(gòu)件不連續(xù)和墻、柱截面的突變，導(dǎo)致傳力路線曲折、變形集中和應(yīng)力集中，因此轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的抗震性能較差。

抗震設(shè)計時，高位轉(zhuǎn)換對結(jié)構(gòu)受力十分不利。計算分析說明，在水平地震作用下，傾覆力矩分布曲線在轉(zhuǎn)換層處呈現(xiàn)轉(zhuǎn)折，轉(zhuǎn)換層下部是以剪力墻為主的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，落地剪力墻所分配的傾覆力矩由轉(zhuǎn)換層往下遞增較快，而支撐框架的傾覆力矩遞增很少。

此外，轉(zhuǎn)換層處，框支剪力墻的大量剪力通過樓板傳遞給落地剪力墻，這也是傾覆力矩曲線呈現(xiàn)轉(zhuǎn)折的原因。當(dāng)轉(zhuǎn)換層位置較高時，剪力分配和傳力途徑亦發(fā)生急劇的突變，落地剪力墻更容易產(chǎn)生裂縫，框支剪力墻在轉(zhuǎn)換層上部的墻體所受內(nèi)力很大，易于破壞，轉(zhuǎn)換層下部的支承框架更易于屈服，從而容易形成幾個薄弱層。

因此，為保證設(shè)計的安全性，規(guī)定部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的位置設(shè)置在3層以上時，其框支柱、剪力墻底部加強(qiáng)部位的抗震等級宜按高規(guī)規(guī)定提高一級采用，已經(jīng)為特一級時不再提高，提高其抗震構(gòu)造措施，而對于底部帶轉(zhuǎn)換層的框架-核心筒結(jié)構(gòu)和外圍為密柱框架的筒中筒結(jié)構(gòu)的抗震等級不必提高。

底部帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑在我國已大量建造，但至今未經(jīng)受到大地震的考驗(yàn)。其轉(zhuǎn)換層上部樓層的部分豎向構(gòu)件不能連續(xù)貫通至下部樓層，因此，轉(zhuǎn)換層是薄弱樓層，其地震剪力需乘以1.15的增大系數(shù)。設(shè)計中不要誤認(rèn)為只要樓層側(cè)向剛度滿足要求，該樓層就不是薄弱層。

對轉(zhuǎn)換層的轉(zhuǎn)換構(gòu)件水平地震作用的計算內(nèi)力需調(diào)整增大;8度抗震設(shè)計時，還應(yīng)考慮豎向地震作用的影響。轉(zhuǎn)換構(gòu)件的豎向地震作用，可采用反應(yīng)譜方法或動力時程分析方法計算:作為近似考慮，也可將轉(zhuǎn)換構(gòu)件在重力荷載標(biāo)準(zhǔn)作用下的內(nèi)力乘以增大系數(shù)1.1。

高規(guī)中對框支柱的內(nèi)力增大幅度比較高;轉(zhuǎn)換層位置在3層及3層以上的結(jié)構(gòu)對抗震更為不利，其內(nèi)力增大幅度也適當(dāng)提高。

高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)是一種受力復(fù)雜的不利抗震的高層建筑結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度9度(0.4g)時不應(yīng)采用。帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計可根據(jù)設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)類型、構(gòu)件種類和房屋高度，采用相應(yīng)抗震等級進(jìn)行相應(yīng)的計算和采取相應(yīng)的構(gòu)造措施。

4 轉(zhuǎn)換層上下結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比的合理取值

轉(zhuǎn)換層上部與下部結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比計算時宜綜合考慮各構(gòu)件的剪切、彎曲和軸向變形對結(jié)構(gòu)側(cè)移的影響。

當(dāng)轉(zhuǎn)換層設(shè)置在3層及3層以上時，其樓層側(cè)向剛度尚不應(yīng)小于相鄰上部樓層側(cè)向剛度的60%。這一規(guī)定是為了防止出現(xiàn)轉(zhuǎn)換層的下部樓層剛度較大，而轉(zhuǎn)換層本層的側(cè)向剛度較小，此時等效側(cè)向剛度比雖能滿足限值要求，但轉(zhuǎn)換層本層的側(cè)向剛度過于柔軟。層側(cè)向剛度比的限值取60%，與美國規(guī)范(IBC-2000)的規(guī)定相同。高規(guī)第4.4.2條只規(guī)定了樓層側(cè)向剛度不宜小于相鄰上部樓層側(cè)向剛度的70%，未規(guī)定下限值。對于位于3層及3層以上的帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)，規(guī)定60%作為下限值是十分必要的。

當(dāng)轉(zhuǎn)換層設(shè)置在3層及3層以上時，應(yīng)按高規(guī)規(guī)定分別計算等效側(cè)向剛度比和轉(zhuǎn)換層本層與轉(zhuǎn)換層相鄰上部樓層側(cè)向剛度比，設(shè)計中應(yīng)同時滿足這兩種剛度比的限制條件。

高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計中轉(zhuǎn)換層上、下層主體結(jié)構(gòu)的剪切剛度比γ的合理取值:

(1)擴(kuò)大外圍柱距的框筒結(jié)構(gòu)或內(nèi)部抽柱的框架結(jié)構(gòu)

對這種情況的結(jié)構(gòu)γ應(yīng)取1，即保持上、下層剪切剛度不變。

在一般情況下，由于建筑功能上要求下部柱子截面小，層高要比上層高許多，因此很難滿足上述要求。此時建議轉(zhuǎn)換層以下采用鋼骨混凝土柱或鋼管混凝土柱，這樣來調(diào)整柱的截面面積、剛度和延性，從而達(dá)到滿足建筑功能的要求。但這時應(yīng)特別注意轉(zhuǎn)換層上、下的連接，當(dāng)轉(zhuǎn)換層上部為鋼筋混凝土?xí)r，應(yīng)將下部鋼骨混凝土柱錨入轉(zhuǎn)換層內(nèi)。

(2)底部大空間剪力墻結(jié)構(gòu)

由于底部大空間剪力墻結(jié)構(gòu)的底層高大以及部分剪力墻不落地改為框支后，底部剛度顯著減小，為防止底部層剛度突變，應(yīng)控制轉(zhuǎn)換層上、下剪切剛度比(γ):當(dāng)?shù)撞看罂臻g為1層時，轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)等效剪切剛度比γ宜接近1，非抗震設(shè)計時γ不應(yīng)大于3，抗震設(shè)計時γ不應(yīng)大于20。

5 結(jié)語

總之，在進(jìn)行實(shí)際工程設(shè)計時,應(yīng)從建筑功能、結(jié)構(gòu)受力、設(shè)備使用、經(jīng)濟(jì)合理等多方面入手進(jìn)行結(jié)構(gòu)的選型和柱網(wǎng)布置,使之更加適合建筑要求。

[1]李中軍,徐茂江,李龍.預(yù)應(yīng)力混凝土轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2008.12.

[2]覃文勝.高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計探討[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2010.10.