淺談建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘要：本文介紹了轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的概念及應(yīng)用，分析了高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的形式，提出了建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)。

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

建筑轉(zhuǎn)換層是建筑物內(nèi)部不可或缺的重要結(jié)構(gòu)之一，做好建筑轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并充分了解建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)，能夠有效的提高建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)效果，在保證工程質(zhì)量的同時(shí)，達(dá)到降低工程施工難度，控制工程施工成本的作用，對(duì)促進(jìn)我國(guó)建筑行業(yè)的發(fā)展有著積極的意義。

1 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)概念及應(yīng)用

轉(zhuǎn)換層技術(shù)從概念上來講指的是建筑物某層的上部與下部因平面使用功能不同，該樓層上部與下部采用不同結(jié)構(gòu)類型，并通過該樓層進(jìn)行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，則該樓層稱為結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。由于高層建筑的多功能性和具有綜合用途的特點(diǎn)，所以轉(zhuǎn)換層技術(shù)在高層建筑上獲得了廣泛使用，高層建筑中使用的轉(zhuǎn)換層技術(shù)具有自身的顯著特點(diǎn)：首先，高層建筑在使用功能上，下部多為商業(yè)區(qū)，而上部多為辦公和生活區(qū)域。鑒于這種分布格局，轉(zhuǎn)換層建構(gòu)在高層建筑中多出現(xiàn)在下部樓層，而上部樓層較多，這就造成了轉(zhuǎn)換層受力情況復(fù)雜，設(shè)計(jì)施工難度較大，稍有疏忽就可能導(dǎo)致災(zāi)難性的結(jié)果。其次，高層建筑轉(zhuǎn)換層地震反應(yīng)強(qiáng)烈。

2 高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的形式

從轉(zhuǎn)換層的轉(zhuǎn)換功能來看，可分為以下幾種：上、下層結(jié)構(gòu)形式的轉(zhuǎn)換，如上部剪力墻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為下部框架柱結(jié)構(gòu)；上、下層結(jié)構(gòu)軸網(wǎng)的轉(zhuǎn)換，如上、下軸網(wǎng)不重合；上、下層結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)軸網(wǎng)的同時(shí)轉(zhuǎn)換。從轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)形式來看，可分為以下幾種：

2.1 梁式轉(zhuǎn)換：梁式轉(zhuǎn)換具有傳力路徑清晰快捷、工作可靠、構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式，占總數(shù)的85%以上。梁式轉(zhuǎn)換可用于8度及8度以下抗震設(shè)計(jì)，所不同的只是地面以上大空間的層數(shù)有限制，抗震設(shè)防烈度越高，地面以上大空間的層數(shù)限制越嚴(yán)。

2.2 桁架轉(zhuǎn)換：當(dāng)?shù)撞看罂臻g樓層柱距較大時(shí)，轉(zhuǎn)換梁高度常達(dá)到樓層的整個(gè)高度，而又不能開洞，因而該層無法利用，采用桁架式轉(zhuǎn)換可解決這一問題。桁架轉(zhuǎn)換具有傳力明確、傳力途徑清楚，但構(gòu)造和施工復(fù)雜，特別是節(jié)點(diǎn)處的設(shè)計(jì)和施工。桁架轉(zhuǎn)換層上部的結(jié)構(gòu)要求是“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)邊柱弱中柱”，這也是設(shè)計(jì)原則。而在空腹轉(zhuǎn)化成施工中，空腹桁架要整層鋪設(shè)必須保證要有一定的強(qiáng)度來支撐。轉(zhuǎn)換層的截面尺寸要根據(jù)剪壓比來計(jì)算和確定，這樣可以提早預(yù)防變形。當(dāng)轉(zhuǎn)換桁架用于框架-核心筒結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)的上部密柱轉(zhuǎn)換為下部稀柱時(shí)也要進(jìn)行滿層鋪設(shè)，并將兩者斜桿的交點(diǎn)作為上部密柱的支撐點(diǎn)。最后就是應(yīng)加強(qiáng)轉(zhuǎn)換桁架的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的剛度，而對(duì)其結(jié)構(gòu)也要進(jìn)行完善，防止預(yù)應(yīng)力問題而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題。

2.3 板式轉(zhuǎn)換：當(dāng)上部剪力墻布置復(fù)雜，上、下軸線錯(cuò)位較多，用轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)難以直接承托時(shí)，需采用厚板式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。板式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)具有上部墻體及下部柱網(wǎng)可靈活布置，不受結(jié)構(gòu)軸網(wǎng)限制等特點(diǎn)。它的不利之處在于，結(jié)構(gòu)構(gòu)件超大、自重大、結(jié)構(gòu)層間剛度大、材料消耗大、工程造價(jià)較多等。板轉(zhuǎn)換可用于非抗震設(shè)計(jì)和6度抗震設(shè)計(jì)。作為轉(zhuǎn)換構(gòu)件的厚板，其結(jié)構(gòu)自重大、耗費(fèi)材料多，導(dǎo)致其經(jīng)濟(jì)性較差。由于在轉(zhuǎn)換層集中了相當(dāng)大的質(zhì)量，剛度又很大，造成轉(zhuǎn)換層處結(jié)構(gòu)的上下豎向剛度突變，容易產(chǎn)生薄弱層。目前，對(duì)轉(zhuǎn)換厚板的抗震性能、受力機(jī)理和傳力途徑的研究，還不是很完善，導(dǎo)致其安全可靠性比較差；但是厚板轉(zhuǎn)換也有其比較突出的優(yōu)點(diǎn)，即特別適用于轉(zhuǎn)換層上部豎向構(gòu)件布置比較隨意、柱網(wǎng)錯(cuò)綜復(fù)雜的建筑，且模板工作量較少、施工簡(jiǎn)便快捷。

2.4 箱形轉(zhuǎn)換：當(dāng)轉(zhuǎn)換層上、下板厚較大，與中間托梁一起共同工作時(shí)，形成箱形轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。箱形轉(zhuǎn)換層可用于上、下層結(jié)構(gòu)形式轉(zhuǎn)換、柱網(wǎng)尺寸擴(kuò)大及軸線錯(cuò)位等。

2.5 斜柱轉(zhuǎn)換：當(dāng)上層結(jié)構(gòu)在下層兩柱之間增加一根柱時(shí)，可采用斜柱轉(zhuǎn)換外加環(huán)梁的轉(zhuǎn)換方式，采用此轉(zhuǎn)換可避免采用耗材較大的梁式、板式轉(zhuǎn)換，而且方便管道的通過（當(dāng)轉(zhuǎn)換層為結(jié)構(gòu)避難層）。

2.6 巨型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換：巨型結(jié)構(gòu)體系又稱超級(jí)結(jié)構(gòu)體系，是由巨型的構(gòu)件組成的簡(jiǎn)單而巨型的桁架或框架等結(jié)構(gòu)，作為高層建筑的主體結(jié)構(gòu)，與其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件組成的次結(jié)構(gòu)共同工作，從而獲得更大的靈活性和更高的效能，特別是在次結(jié)構(gòu)的頂層，可設(shè)成整層無柱空間。

2.7 其他結(jié)構(gòu)形式轉(zhuǎn)換：如美國(guó)IBM大廈的拱式轉(zhuǎn)換，將上部密排柱通過拱的作用傳遞到下部大柱中。

3 建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)

3.1 保證轉(zhuǎn)換層的剛度。轉(zhuǎn)換層的高度是決定轉(zhuǎn)換層乃至建筑物整體質(zhì)量的重要因素，特別是在高層建筑的設(shè)計(jì)與施工過程中，建筑本身高度與重量上的特點(diǎn)決定了轉(zhuǎn)換層將會(huì)承受較大的垂直荷載，而轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)又很容易令建筑物在轉(zhuǎn)換層部位出現(xiàn)剛度突變，使轉(zhuǎn)換層成為建筑物的薄弱環(huán)節(jié)，降低建筑物的抗震性能。因此，在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)時(shí)，要注意確保轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)剛度不低于其上層結(jié)構(gòu)剛度的70%。為此，應(yīng)當(dāng)合理的調(diào)整轉(zhuǎn)換層內(nèi)部剪力墻的分布狀況，適度的提高落地剪力墻的厚度，并使用強(qiáng)度等級(jí)較高的混凝土進(jìn)行施工，同時(shí)盡可能將縱橫墻按照筒體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行排布，從而在根本上保證轉(zhuǎn)換層的剛度，確保建筑物的抗震性能不受影響。

3.2 提高轉(zhuǎn)換層與建筑物的整體性。通過調(diào)整轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容來提高轉(zhuǎn)換層與建筑物整體性的，能夠提高建筑物的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)建筑物的使用壽命。為此，應(yīng)當(dāng)盡可能對(duì)其上下層之間的軸網(wǎng)，簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)方案，盡可能令質(zhì)量中心與剛度中心相對(duì)應(yīng)，使轉(zhuǎn)換層的受力更加明確，從而避免使用板式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，以防止建筑物出現(xiàn)剛度突變的現(xiàn)象，達(dá)到提高建筑物整體性的目的。

3.3 合理安排轉(zhuǎn)換層的位置。由于建筑物的受力模式較為復(fù)雜，且建筑物內(nèi)部的所受作用力的種類和分布都會(huì)隨著建筑高度的增加而發(fā)生微妙的變化，當(dāng)高度達(dá)到一定的范圍后，建筑物所受的各項(xiàng)作用力的效果便會(huì)呈明顯的上升趨勢(shì)，給建筑物的設(shè)計(jì)帶來困難。如果轉(zhuǎn)換層的位置過高，不僅會(huì)令轉(zhuǎn)換層內(nèi)部的受力狀況發(fā)生改變，還會(huì)對(duì)上下層面的剛度與受力方式產(chǎn)生影響，使轉(zhuǎn)換層成為建筑物的薄弱環(huán)節(jié)，降低建筑物的抗震能力。因此，應(yīng)當(dāng)盡量降低轉(zhuǎn)換層所處了位置，通常情況下，轉(zhuǎn)換層的位置應(yīng)以三層以下為宜，最高不得超過六層。

4 結(jié)語

為滿足人們特殊建筑功能的需要，在同一座建筑中，上部樓層往往布置成小開間旅館、住宅；中部樓層需中等大小空間作為辦公用房；下部樓層需盡可能大室內(nèi)空間來做商店、餐館和文化娛樂設(shè)施，這種不同用途的樓層需要大小不同的結(jié)構(gòu)形式，上部常采用較多墻體的剪力墻結(jié)構(gòu)，中部采用部分柱、部分剪力墻結(jié)構(gòu)，而下部常采用大柱網(wǎng)結(jié)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)布置，就必須在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的樓層設(shè)置水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件，即轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。為滿足人們對(duì)建筑功能的更高要求，尤其是在現(xiàn)代大中城市用地日益緊張的今天，發(fā)展該類特殊結(jié)構(gòu)必將成為今后高層建筑發(fā)展的一大趨勢(shì)。

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