住宅高層建筑中帶轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘 要：文章主要列舉了我國(guó)高層建筑常用的幾種轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)型式，并探討了其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一些要點(diǎn)的注意事項(xiàng)，最后進(jìn)行了歸類總結(jié)。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；構(gòu)件設(shè)計(jì)

前言

現(xiàn)今這個(gè)時(shí)代，由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)，多樣化、綜合化及全面化的高層建筑也得到快速發(fā)展。此類建筑從建筑形式看為上部開間小、下部開間大，從建筑功能來說為上部是較多墻體的住宅戶型、下部是大柱網(wǎng)、少墻體的商場(chǎng)或公共娛樂場(chǎng)所。然而，這樣的結(jié)構(gòu)布置剛好違反了常規(guī)的豎向結(jié)構(gòu)布置的原則，因此，為了能使剛度上大下小的高層建筑得以建成，就必須在上下結(jié)構(gòu)體系不同的樓層間設(shè)置一個(gè)轉(zhuǎn)換層。近年來，帶轉(zhuǎn)換層的建筑結(jié)構(gòu)得到了更廣泛的應(yīng)用。

1 轉(zhuǎn)換層的類型

轉(zhuǎn)換層受外部環(huán)境和功能需求等因素的影響，它可以以不同的型式存在，如在層高得到保證的情況下，它可以以正常樓層的型式存在，在層高得不到保證或設(shè)備有專業(yè)要求時(shí)，它也可以作為設(shè)備層而存在。下面就來淺談一下轉(zhuǎn)換層的各種類型及其優(yōu)缺點(diǎn)。

1.1 梁式轉(zhuǎn)換層

此類轉(zhuǎn)換層傳力明確、設(shè)計(jì)和施工簡(jiǎn)單，是現(xiàn)今運(yùn)用得最廣泛的。它是用框支柱來支撐框支梁，再由框支梁來支撐上部的剪力墻的框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系，而雙向梁的設(shè)計(jì)又可以同時(shí)完成縱橫向的轉(zhuǎn)換。不過此轉(zhuǎn)換層只適合上下軸線規(guī)范整齊的建筑，一旦軸線錯(cuò)位，受力情況變得復(fù)雜，就需要增加很多的框支梁來進(jìn)行支撐。

1.2 箱式轉(zhuǎn)換層

為了滿足平面樓板能在大截面轉(zhuǎn)換梁中有無限大的剛度，顯然轉(zhuǎn)換梁頂?shù)囊粚訕前逡巡粔蛴?，那么可以在梁底增加一層樓板，從而形成了一個(gè)箱形梁，當(dāng)箱形梁環(huán)通建筑四周且遍布全層，于是形成了箱式轉(zhuǎn)換層。箱式轉(zhuǎn)換層也可以作為設(shè)備層，它不僅擁有剛度大、約束強(qiáng)的轉(zhuǎn)換梁，而且傳力均勻，整體作用很好。梁與梁之間多設(shè)備洞，且需較多資金才能完成復(fù)雜的工程是其缺點(diǎn)。

1.3 厚板式轉(zhuǎn)換層

在轉(zhuǎn)換梁無法承托上下部多錯(cuò)位柱網(wǎng)時(shí)，就需要把梁做成板，而板的厚度是結(jié)合上部結(jié)構(gòu)的荷載程度和柱網(wǎng)尺寸而得出的，這樣就形成了厚板式轉(zhuǎn)換層。板式轉(zhuǎn)換層減輕了上部構(gòu)造對(duì)下部柱網(wǎng)的約束，使其可以更加靈活的布置，同時(shí)也釋放了空間。雖然厚板施工簡(jiǎn)單，也可以作為一個(gè)整體性強(qiáng)的大剛度承臺(tái)，但因要消耗較多的材料，使自身的重量過大，從而導(dǎo)致地震作用加大，震害的發(fā)生更頻繁。

1.4 桁架式轉(zhuǎn)換層

在商場(chǎng)與寫字樓或住房相結(jié)合的建筑中，因其下部空間大、上部空間小且中間還需布置各類管道，這樣就需要一個(gè)桁架式轉(zhuǎn)換層來作為設(shè)備層。在桁架式轉(zhuǎn)換層中，上下部柱墻結(jié)構(gòu)是通過桁架來轉(zhuǎn)換，管道的布置是穿行于各桁架之間，所以在設(shè)置桁架時(shí)需考慮到上弦節(jié)點(diǎn)是否與上部墻柱的肢形心對(duì)中，且最好全層都進(jìn)行布置。桁架式轉(zhuǎn)換層有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，它的框支柱柱頂有最小的彎矩和剪力；同時(shí)也有幾個(gè)缺點(diǎn)，在軸線錯(cuò)位中布置難度大、施工復(fù)雜。

2 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

下面就以一棟帶轉(zhuǎn)換層的建筑為例，來分析一下設(shè)計(jì)中要注意的事項(xiàng)。如圖，此建筑總高75.2m，共分為25層，其中地下1層和地上24層。在地上的24層中第1至3層為設(shè)計(jì)為商業(yè)用房，上面21層樓層都設(shè)計(jì)為居民房。根據(jù)建筑的實(shí)際情況，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)性和工程難易度，決定在第4層樓面設(shè)計(jì)一個(gè)梁式轉(zhuǎn)換層，即框支剪力墻結(jié)構(gòu)。

2.1 確定抗震等級(jí)

該高層建筑是一個(gè)復(fù)雜工程，存在幾種結(jié)構(gòu)體系，因此抗震等級(jí)需根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)構(gòu)件相對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)不同的等級(jí)。轉(zhuǎn)換層上部是一個(gè)純剪力墻的結(jié)構(gòu)體系，抗震等級(jí)可設(shè)為三級(jí)。轉(zhuǎn)換層下部為框支柱加剪力墻結(jié)構(gòu)，它設(shè)有二級(jí)抗震作用，而底部加強(qiáng)區(qū)的抗震等級(jí)為三級(jí)，為了加強(qiáng)底部并保持底部的抗震等級(jí)一致，因此在一般的轉(zhuǎn)換層的轉(zhuǎn)換梁及以下樓層的框架梁和框架柱中的抗震等級(jí)都設(shè)為二級(jí)。該建筑的轉(zhuǎn)換層設(shè)在第4層，是一個(gè)高位轉(zhuǎn)換，因此應(yīng)將轉(zhuǎn)換層下部的框支架及剪力墻的抗震等級(jí)再提升1級(jí)，這樣此部分就為一級(jí)抗震了。SATWE是一個(gè)計(jì)算抗震等級(jí)的軟件，在其中的參數(shù)輸入中需將真實(shí)的地下室層數(shù)及轉(zhuǎn)換層所在的層數(shù)填寫進(jìn)去，如果除掉地下室后轉(zhuǎn)換層所在層數(shù)大于或等于三后就要在特殊構(gòu)件補(bǔ)充定義這一欄中將剪力墻及框支架增加一級(jí)抗震等級(jí)后再填寫，不然計(jì)算出來的結(jié)果要比實(shí)際所需設(shè)計(jì)的抗震等級(jí)偏小。

2.2 結(jié)構(gòu)的布置

在正常的高層建筑中，它的側(cè)向剛度需遵循下大上小、避免突變的原則，但是在有轉(zhuǎn)換層的高層建筑中，其實(shí)際情況剛好與此原則相反，針對(duì)此現(xiàn)象，高規(guī)專門規(guī)定了帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑的側(cè)向剛度大?。涸诟呶晦D(zhuǎn)換中，轉(zhuǎn)換層上部和下部的側(cè)向剛度比率應(yīng)大于或等于1，且小于1.3。根據(jù)此規(guī)定，在設(shè)計(jì)本工程時(shí)就需注意盡量將上部弱化，而下部則需增強(qiáng)，為了達(dá)到此目的，可以采用以下的方式來完成：

（1）增加下部剪力墻的數(shù)量。（2）增加下部剪力墻的厚度。（3）保持下部剪力墻的完整性。（4）在下部剪力墻及框支架中使用大強(qiáng)度材料。（5）減少上部剪力墻的數(shù)量。（6）控制上部剪力墻的厚度。（7）在有些比較長(zhǎng)的上部剪力墻中開些結(jié)構(gòu)洞，在施工完成后，再將結(jié)構(gòu)洞用普通墻填滿。

結(jié)合以上幾種方法，不僅強(qiáng)化了下部、弱化了上部，使轉(zhuǎn)換層上下部的剛度比接近1，而且還減輕了上部建筑的重量，縮小了施加在框支梁上的荷載，更增大了建筑本身的振動(dòng)周期，從而達(dá)到將地震作用力減小的效果。

2.3 轉(zhuǎn)換層構(gòu)件的設(shè)計(jì)

2.3.1 框支柱

框支柱的截面大小受軸壓比和剪壓比的影響，而框支柱的延性又與軸壓比及配箍率有關(guān)聯(lián)，因此要嚴(yán)格控制好框支柱的軸壓比和配箍率，一般全長(zhǎng)加密的框支柱的箍筋要大于Ф10@100，體積的配箍率也不能低于1.5%。在本建筑中，因?yàn)榭蛑е目拐鸬燃?jí)在一級(jí)，所以其軸壓比要小于或等于0.6，又因?yàn)槟承┛蛑е瑫r(shí)為剪力墻端柱，所以約束邊緣的C40混凝土構(gòu)件配箍值要大于或等于0.2，即配箍率為1.82%。為了加強(qiáng)框支柱的安全性，就要對(duì)應(yīng)的增大框支柱柱端的剪力及其彎矩，而框支住最佳的承受剪力是其每層之和等于基底所承受剪力的30%。在程序計(jì)算中，由于樓板剛度被設(shè)為無限大，水平剪力受豎向剛度控制，及底部框支柱的剛度相比剪墻的剛度要小很多，導(dǎo)致框支柱最終得出的剪力結(jié)果很小，但是在實(shí)際情況中，可能會(huì)出現(xiàn)樓板變形、剪力墻有裂縫而導(dǎo)致剛度縮小，從而提升了框支柱的承受剪力，因此對(duì)增大框支柱的剪力有單獨(dú)的作出一個(gè)規(guī)定。同時(shí)，需注意轉(zhuǎn)換層在上下部中的連接要更加牢固，可以利用框支柱的縱筋來完成，把框支柱伸入在上部墻體內(nèi)的縱筋延伸到一整層，而在墻體外的縱筋就將它們伸入到轉(zhuǎn)換層的梁板內(nèi)，達(dá)到固定要求。

2.3.2 框支梁

框支梁是一個(gè)受力復(fù)雜且強(qiáng)大的傳輸樞紐，它傳輸著上下層的荷載，且也是框支剪力墻的抗震作用的重要保證，因此在設(shè)計(jì)框支梁時(shí)要將截面尺寸和高度規(guī)定清楚，同時(shí)也需對(duì)安全儲(chǔ)備做好充足的準(zhǔn)備。一般情況下，框支梁的截面大小是由剪壓力來決定，寬度一般設(shè)為上墻厚度的兩倍或兩倍以上，并且要在40cm之上（包含40cm）；梁高也不能低于計(jì)算跨度的六分之一。在本建筑中，框支梁的寬度不盡相同在40cm至90cm之間不等。因?yàn)榭蛑Я旱目拐鸬燃?jí)為一級(jí)，所以它的縱筋配筋率是不能低于0.5%的，實(shí)際上本建筑在計(jì)算程序中得出的結(jié)果不低于0.8%。因?yàn)榭蛑Я菏且粋€(gè)本身有軸力的偏心受拉的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，所以要有大量的Ф18腰筋來支撐并在梁高之間的距離不能超過20cm，且還要將其牢固的伸入到支座中。當(dāng)框支柱上同時(shí)支撐多根框支梁時(shí)，就需在其周圍設(shè)計(jì)幾個(gè)柱帽，用來加強(qiáng)框支梁的縱筋在框支柱中的鋼筋砼對(duì)。由于框支梁承受的剪力很大，且對(duì)抗震能力起到重要作用，因此要遵循強(qiáng)剪弱變的規(guī)則，當(dāng)縱筋還有剩余時(shí)，箍筋也要有所增強(qiáng)，這樣可以使用全長(zhǎng)加密的大于12@100的復(fù)合箍，其配箍率也得到了相應(yīng)的提升，可以達(dá)到1.15%甚至更高。另外，為了將強(qiáng)剪的安全得到保證，可以在承受剪力最大的主框支梁的頂端截面增加一層水平加腋。

2.3.3 轉(zhuǎn)換層樓板

在框支剪力墻的結(jié)構(gòu)體系中，轉(zhuǎn)換層上下部因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的不同，其內(nèi)力分布的規(guī)律也存在著差異：上部樓層中，純剪力墻的結(jié)構(gòu)使得外荷載水平力可以根據(jù)各剪力墻的相同剛度按比例分布在各剪力墻上；但是下部樓層中，框支加剪力墻的結(jié)構(gòu)中框支柱剛度和落地剪力墻的剛度有所不同，導(dǎo)致水平剪力的分配沒那么均勻，它主要是分布在落地剪力墻上。也就是由于荷載的分配在轉(zhuǎn)換層中發(fā)生了突變，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換層樓板需將上下部剪力進(jìn)行重新分配，又因?yàn)檗D(zhuǎn)換層樓板的平面內(nèi)本身就有承受一個(gè)非常大的作用力，導(dǎo)致其很容易變形，所以需加強(qiáng)轉(zhuǎn)換層樓板的剛度。在本建筑物中，轉(zhuǎn)換層樓板是由厚達(dá)20cm的C35混凝土及整板的雙層雙向的Ф14@125鋼筋構(gòu)成的，其配筋率都快達(dá)到0.7%，足有0.69%。同時(shí)該建筑中上部?jī)蓪訕前寮跋虏扛鲗訕前宥加屑雍竦?5cm以幫助轉(zhuǎn)換層樓板對(duì)剪力的重新分配。

3 結(jié)束語

從以上對(duì)帶轉(zhuǎn)換層高層建筑各設(shè)計(jì)要點(diǎn)的分析及舉例說明，可以知道此類建筑的結(jié)構(gòu)布置是一個(gè)非常復(fù)雜的工程，它不僅需要注意平面上的簡(jiǎn)單、對(duì)稱及規(guī)則，還需注意保持平面與立面上下剛度大小相近，及在設(shè)計(jì)時(shí)框支柱和框支梁存在的的特殊性。最后，建議設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)先著重于概念設(shè)計(jì)，并要多收集數(shù)據(jù)，進(jìn)行反復(fù)的比較和調(diào)整，以設(shè)計(jì)出一個(gè)最佳的方案。