高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的探討

代男男

遼寧德龍工程設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司 遼寧 123000

摘要：根據(jù)建筑平面及功能要求合理結(jié)構(gòu)布置，正確選擇建筑抗震類別是轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，正確選擇各分部的抗震等級(jí)，做好高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的控制軸壓比設(shè)計(jì)是高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

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

現(xiàn)今我國建筑業(yè)一般能建造20～50 層之間的高層建筑，適應(yīng)了我國城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和需求水平，所以在工程項(xiàng)目中應(yīng)用最為廣泛。高層建筑對(duì)于建筑功能的要求很少使用功能單一的住宅或者賓館等，而更為多的則是地下停車場或者大型娛樂商場等。據(jù)統(tǒng)計(jì)表明在高層建筑中，有轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的大概占了80%。因?yàn)橛修D(zhuǎn)換層的部分的梁和柱或者板的尺寸比較大，所以有嚴(yán)格的要求來確保大面積混凝土澆筑等施工、模板的支撐、鋼筋的綁扎等方面的施工。在高層建筑中恰當(dāng)使用轉(zhuǎn)換層施工技術(shù)，有科學(xué)的施工方案，合理的組織施工現(xiàn)場，能給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

一、轉(zhuǎn)換層概念

高層建筑結(jié)構(gòu)中，為了滿足人們對(duì)房屋住所的要求，為建筑物預(yù)留更大的空間，擴(kuò)大建筑物網(wǎng)柱，減少墻體；而在高層建筑結(jié)構(gòu)上層，要開設(shè)小的空間，就需要多層墻體來實(shí)現(xiàn)。然而，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中會(huì)因豎向桿件無法貫通接地，使得無法滿足高層建筑結(jié)構(gòu)額整體效果和功能，所以采取水平轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)來與下部豎向桿件進(jìn)行連接，能夠有效的滿足高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在不同功能上的需求。這種形式的建筑結(jié)構(gòu)稱為高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的特點(diǎn)

高層建筑結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的組件在高層建筑物中間，對(duì)于外力荷載起到了承上啟下的過渡作用，即承載上層建筑到來重力荷載，對(duì)下層建筑的懸掛構(gòu)建荷載也需要起到依靠作用，也因此該特殊作用，其也呈現(xiàn)出多種特點(diǎn)，具體總結(jié)有以下幾點(diǎn)：

1、內(nèi)力大。因其一方面要承受了來自上層的重力，另一方面要承載下層建筑的懸掛力，對(duì)其內(nèi)力的要求很高；

2、跨度大。轉(zhuǎn)換構(gòu)件的跨度一般是上層結(jié)構(gòu)的幾倍，因此，垂直撓度的要求相當(dāng)高；

3、構(gòu)件截面大。面積加強(qiáng)轉(zhuǎn)換構(gòu)件的剛度和強(qiáng)度時(shí)，根據(jù)剛度及強(qiáng)度的計(jì)算公式進(jìn)行調(diào)整，較為有效手段是增加構(gòu)件截面面積，因此，就夠構(gòu)件的截面面積較大；高層建筑轉(zhuǎn)換層的設(shè)置，造成了建筑物垂直向的剛度的規(guī)則性較差，各項(xiàng)外力的傳遞路線有所變動(dòng)，不能使用一般方法進(jìn)行計(jì)算，在分析及設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)是，不能使用常規(guī)方法，其設(shè)計(jì)顯得較為特殊。

三、高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的策略

1、轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)

帶轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)布置除應(yīng)符合《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》《高規(guī)》等對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的平面及豎向布置的規(guī)定外，還應(yīng)滿足以下規(guī)定：

（1）不應(yīng)對(duì)邊榀剪力墻進(jìn)行框支轉(zhuǎn)換；不應(yīng)在結(jié)構(gòu)底部抽取角柱，形成托柱轉(zhuǎn)換，不應(yīng)在角部剪力墻的底部開設(shè)轉(zhuǎn)角大洞形成框支轉(zhuǎn)換。

（2）純框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度小，地震力作用下側(cè)向變形大，下部為大空間且?guī)мD(zhuǎn)換層框架下柔上剛在地震力作用下非常容易破壞，所以必須設(shè)置落地剪力墻來提高建筑物抗震性能。落地剪力墻和框支柱應(yīng)符合下列條件：

A、落地剪力墻應(yīng)對(duì)稱、成對(duì)布置，優(yōu)先采用型鋼混凝土剪力墻，相對(duì)普通混凝土剪力墻，型鋼混凝土剪力墻抗震性能好，耗能系數(shù)高，減少了截面面積，提高了承載力，能有效降低層最大剪力、最大位移和層間位移角。

B、框支柱可以選用型鋼混凝土柱、鋼管混凝土柱、柱內(nèi)部設(shè)置芯柱的鋼筋混凝土柱，這些柱能有效降低軸壓比，具有承載力大，延性好的優(yōu)點(diǎn)

C、轉(zhuǎn)換層周圍樓板不應(yīng)錯(cuò)層布置，不應(yīng)在大空間范圍內(nèi)開大洞口。樓梯間、電梯間處周圍的落地剪力墻應(yīng)圍成筒體。

（3）轉(zhuǎn)換層上下結(jié)構(gòu)剛度的突變對(duì)建筑物抗震非常不利，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)首先應(yīng)該增強(qiáng)轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，同時(shí)減小轉(zhuǎn)換層上部的抗側(cè)剛度，最終要使轉(zhuǎn)換層上下結(jié)構(gòu)剛度相差不大。抗震設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)的地震作用效應(yīng)不僅與剛度有關(guān)，還與其質(zhì)量有關(guān)。結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能取決于結(jié)構(gòu)質(zhì)量、阻尼和剛度。在轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)換層一般集中較大的質(zhì)量，其質(zhì)量對(duì)下部結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性影響較大，但對(duì)上部結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性影響較小，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用的等效抗側(cè)剛度比意義就不大了。轉(zhuǎn)換層位置越高，轉(zhuǎn)換層上下部結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形效應(yīng)越大，轉(zhuǎn)換層上下部結(jié)構(gòu)等效側(cè)向剛度比的作用更加有限。

綜上所述，根據(jù)地震作用效應(yīng)來控制比較合理。因此建議采用轉(zhuǎn)換層下、上層結(jié)構(gòu)層間位移角比來控制轉(zhuǎn)換層下上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力和位移突變。轉(zhuǎn)換層上下結(jié)構(gòu)層間位移角比能準(zhǔn)確反映轉(zhuǎn)換層上下部結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向剛度比、質(zhì)量比、樓層層間抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的受剪承載力比，對(duì)抗震設(shè)計(jì)有重要的意義。

2、高層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的抗震設(shè)計(jì)

（1）梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與構(gòu)造

由框支主梁承托轉(zhuǎn)換層的次梁及次梁上的剪力墻，其受力比較復(fù)雜。框支柱梁除承受其上部剪力墻的作用外，還需要承受梁傳下來的剪力，扭矩和彎矩，因此，主梁是最容易遭到破壞的。如果對(duì)建筑有嚴(yán)格抗震設(shè)防要求時(shí)，為了改善結(jié)構(gòu)整體的傳力途徑和受力性能，提高建筑的抗震能力，所有在對(duì)結(jié)構(gòu)平面布置時(shí)，可以將一部分剪力墻落地，與基礎(chǔ)相連，使其與框支剪力墻形成一個(gè)整體受力體系。

（2）高層轉(zhuǎn)換梁的設(shè)計(jì)與構(gòu)造要求

在對(duì)轉(zhuǎn)換梁截面尺寸設(shè)計(jì)時(shí)，是要根據(jù)剪壓比的計(jì)算結(jié)果確定的，通常轉(zhuǎn)換梁上不宜開洞，若必須開洞是，洞口的尺寸不能過大，且宜位于梁中和軸附近，還需對(duì)洞口做加強(qiáng)措施，以增強(qiáng)局部抗剪能力。如果洞口四周的內(nèi)力較大時(shí)，可采用型鋼給予加強(qiáng)。規(guī)范規(guī)定轉(zhuǎn)換梁用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C30。轉(zhuǎn)換梁主筋在非抗震或6 度設(shè)防時(shí)的最小配筋率是不低于0.3%且轉(zhuǎn)換梁中主筋不宜有接頭。

（3）框支柱的設(shè)計(jì)與構(gòu)造要求

框支柱截面尺寸也是根據(jù)其軸壓比的計(jì)算確定的。但在地震作用時(shí)框支柱的內(nèi)力需進(jìn)行調(diào)整：抗震設(shè)計(jì)時(shí)，框支柱的柱頂彎矩要乘以相應(yīng)的放大系數(shù)，并按放大后的彎矩設(shè)計(jì)值進(jìn)行配筋。根據(jù)最新規(guī)范要求，框支柱全部縱向鋼筋配筋率，一級(jí)抗震時(shí)不小于1.2%，二級(jí)時(shí)不小于1.O%，三級(jí)時(shí)不小于0.9%、四級(jí)及非抗震設(shè)計(jì)時(shí)不小于0.8%。縱向鋼筋間距抗震設(shè)計(jì)時(shí)不大于200mm，且不小于80mm，全部縱向鋼筋配筋率不宜大于4%。

（4）轉(zhuǎn)換梁的截面設(shè)計(jì)方法

當(dāng)前普遍應(yīng)用的是應(yīng)力截面設(shè)計(jì)方法。對(duì)轉(zhuǎn)換梁進(jìn)行有限元分析，根據(jù)有限元法分析后的應(yīng)力大小及其分布規(guī)律進(jìn)行截面的配筋計(jì)算，但在進(jìn)行有限元分析前要假定不考慮混凝土的抗拉作用，因此拉力全部由鋼筋承擔(dān)。受壓區(qū)混凝土的強(qiáng)度達(dá)到軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的同時(shí)鋼筋也達(dá)到屈服強(qiáng)度。

3、高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的控制軸壓比設(shè)計(jì)

高層建筑中轉(zhuǎn)換層還要注意軸壓的比率，盡量控制這個(gè)比率，我們知道，轉(zhuǎn)換層的支梁和支柱在內(nèi)交角的位置，有一個(gè)突出的應(yīng)力表現(xiàn)情況，由于深受水平負(fù)載以及垂直負(fù)載的雙重影響，柱子的橫截面，柱子的剪力，以及柱子的彎矩在相對(duì)條件下較小，所以軸壓力的承受力主要受框支柱所支撐，轉(zhuǎn)換層以上的墻體垂直負(fù)載和水平負(fù)載差不多都能借助板平面內(nèi)的剛度傳遞給落地剪力墻，因此要嚴(yán)格控制框支柱的軸壓比。例如，在一高層建筑實(shí)處，設(shè)計(jì)的方案是這樣的：抗震設(shè)計(jì)時(shí)框支柱的軸壓比小于0.6，砼的強(qiáng)度等級(jí)高于C20，但低于C30，采用螺旋箍圍繞框支柱全高密度較小，箍筋直徑要不足10，間距不足100rnm，這個(gè)設(shè)計(jì)方案，在真正實(shí)行的過程中限制了柱箍筋配箍率，減弱了轉(zhuǎn)換層柱的抗剪能力。因此要切合實(shí)際的對(duì)高層建筑進(jìn)行科學(xué)的檢測，確保萬無一失。

四、轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)注意事項(xiàng)

高層建筑本來的施工難度系數(shù)就比較高，而轉(zhuǎn)換層的施工技術(shù)在其基礎(chǔ)上又上升了一個(gè)難度系數(shù)，同時(shí)目前我國的帶轉(zhuǎn)換層高層建筑的施工經(jīng)驗(yàn)又比較有限，所以在實(shí)際的施工中難免會(huì)存在一些問題，趨利避害才能實(shí)現(xiàn)長久發(fā)展，下面重點(diǎn)分析一些設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，以給同仁參考：

1、在對(duì)帶有轉(zhuǎn)換層的建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)其轉(zhuǎn)換層下部的結(jié)構(gòu)不能設(shè)計(jì)為柔軟層，否則容易造成建筑坍塌事故。

2、在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意要把轉(zhuǎn)換層的上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為抗側(cè)剛度接近于下部的抗側(cè)剛度，剛度系數(shù)必須保證循序漸進(jìn)的變化。

3、我們知道底部轉(zhuǎn)換層的高度和其剛度是有關(guān)聯(lián)的，所以施工時(shí)，需要合理的控制轉(zhuǎn)換層的高度，同時(shí)也需要滿足建筑需要的基本剛度，提高建筑的穩(wěn)固性。

4、帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑施工有其既定的施工標(biāo)準(zhǔn)，建設(shè)施工時(shí)不得出現(xiàn)違規(guī)現(xiàn)象。

綜上所述，帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑是未來房地產(chǎn)事業(yè)的一個(gè)總體趨勢，實(shí)現(xiàn)帶轉(zhuǎn)換層高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)綜合性分析，能夠有效的避免在設(shè)計(jì)中留下重大的安全隱患，這不僅是對(duì)廣大人民群眾的負(fù)責(zé)，同時(shí)也是我國設(shè)計(jì)單位提高自身能力的一個(gè)必經(jīng)之路。未來，隨著帶轉(zhuǎn)換層高層建筑規(guī)模的擴(kuò)大，在不斷的經(jīng)驗(yàn)積累基礎(chǔ)上，我國的相關(guān)技術(shù)和設(shè)計(jì)理念還會(huì)得到完善。

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抗側(cè)剛度通常都會(huì)很大，為了能夠充分的利用剪力墻，并將此結(jié)構(gòu)的重力減輕，剪力墻的布置最好寬松點(diǎn)，應(yīng)該使得其結(jié)構(gòu)有著適當(dāng)?shù)膫?cè)向?qū)挾取?/p>

2.樓層的最大層間和層高之比

相關(guān)規(guī)定，于計(jì)算多地震作用中的樓層最大層間的位移時(shí)，需以樓層間彎曲變形為主，將扭轉(zhuǎn)變形計(jì)入，可以不除去結(jié)構(gòu)整體的完全變形。所以，對(duì)于高層建筑而言，應(yīng)該盡可能的將扭轉(zhuǎn)變形降小，不過又不可以僅僅只是依照此層間唯一不夠而胡亂的增加豎向構(gòu)件中的剛度。不過，在實(shí)際結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，有些設(shè)計(jì)者看到某個(gè)方向的層間其位移不能滿足規(guī)范的要求，就連續(xù)的增加此項(xiàng)側(cè)向剛度，不過需要注意，架構(gòu)的剪重比假若與規(guī)范限制較為接近則可以，假若減重太大，則不能將另一側(cè)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)剛度減小。

3.樓層間最小的剪力系數(shù)其調(diào)整原則

在滿足短肢剪力墻所承受的第一振類底部地震傾覆力彎矩占到結(jié)構(gòu)總底部的地震傾覆力彎矩不能超出 2/5 的前提下，應(yīng)該要盡量將剪力墻的布置減少，且以大開間的剪力墻布置方式為目標(biāo)，以使其結(jié)構(gòu)有著適合的側(cè)向剛度使得樓層最小的剪力系數(shù)大于規(guī)范限度，此做法可以減小結(jié)構(gòu)自重，并且合理的減輕了地震作用的輸入，最終能夠降低工程建設(shè)的成本。

4.剪力墻連梁朝鮮的調(diào)整原則

在剪力墻中，連梁的跨高比通常要大于等于2.5為宜，連梁的跨高比如果小于2.5，就非常容易出現(xiàn)剪力與彎矩超出規(guī)范的限值，相關(guān)制度規(guī)定，跨高比大于等于5的連梁適合按照框架梁實(shí)施設(shè)計(jì)。換句話說就是跨高比大于等于 5 的連梁的剛度不應(yīng)該折減。如果跨高比在 5～6 之間時(shí)，假如連梁的剛度還是不折減，那么就很容易出現(xiàn)剪力或者彎矩超限。

六、結(jié)語

現(xiàn)如今，國家對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的法律規(guī)定越來越規(guī)范，對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)中的剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用也做出了相適應(yīng)的規(guī)范。所以，我們?cè)谶M(jìn)行高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作時(shí)，應(yīng)當(dāng)明確結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)概念，然后根據(jù)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而使建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作不斷優(yōu)化。

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地區(qū)或是東西向窗口。其弱點(diǎn)是與通風(fēng)阻擋和對(duì)視線非常嚴(yán)重，一般不能用于固定式建筑構(gòu)件，對(duì)一些方便拆卸和活動(dòng)建筑構(gòu)件的遮陽效果較好。

（三）幕墻密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)

分為干式密封和濕式密封兩個(gè)分類。

1.干式密封主要采用膠條，應(yīng)用在單元式幕墻、小單元式幕墻上。主要成分是三元乙丙，一般30% 左右，隨氣候條件變化而調(diào)整其含量、配方。1m2 幕墻所用的密封膠不多，一支300mL 膠能夠滿足膠縫0.8cm。通常計(jì)算膠用量，就應(yīng)先求出總膠縫長度，乘以寬度就等于平方數(shù)，最后計(jì)算出膠的用量。現(xiàn)場施工設(shè)計(jì)也不需要太精準(zhǔn)的計(jì)算用量，只要滿足現(xiàn)場施工需要，控制進(jìn)場膠量即可。

2.濕式密封主要采用硅酮耐候密封膠，組角膠、帶膠打釘，主要應(yīng)用在框架式幕墻及單元式幕墻的工廠加工組裝階段。硅酮耐候膠具有耐污染、耐紫外線照射、耐候性、耐水性等特征，主要是用于幕墻材料之間，通過密封嵌縫來保證材料道德氣密性。硅酮耐候膠在高溫時(shí)不流淌，在低溫時(shí)的彈性也比較好，因此是一種性能較好的密封材料。

3.細(xì)生產(chǎn)施工

在幕墻設(shè)計(jì)和施工過程中，應(yīng)重視施工質(zhì)量，主要著眼點(diǎn)放在玻璃的質(zhì)量控制、組裝的質(zhì)量控制、安裝的質(zhì)量控制三個(gè)方面，減少縫隙，貫徹設(shè)計(jì)意圖，確保實(shí)際k 值相比理論k值不打折。在玻璃的質(zhì)量控制方面，應(yīng)選擇質(zhì)量合格的玻璃材料，在主體結(jié)構(gòu)、預(yù)埋件施工、隱框架結(jié)構(gòu)施工方面應(yīng)特別注意。

在組裝的質(zhì)量控制方面，應(yīng)檢查各組成構(gòu)件的質(zhì)量，清除焊接接頭的顆粒和灰塵。在安裝的質(zhì)量控制方面，其步驟如下：基層處理→校核施工放線→檢查骨架安裝的質(zhì)量→調(diào)整幕墻骨架的方向→密封。

三、結(jié)束語

隨著現(xiàn)代建筑的發(fā)展，人們對(duì)建筑物的性能要求越來越高。為了緩解能源危機(jī)，建筑節(jié)能勢在必行。在現(xiàn)代幕墻設(shè)計(jì)中，節(jié)能理念的應(yīng)用，能大大減少建筑行業(yè)的能源消耗，還能促進(jìn)現(xiàn)代建筑的健康發(fā)展。但也應(yīng)認(rèn)識(shí)到，幕墻設(shè)計(jì)中節(jié)能理念的應(yīng)用應(yīng)從安全性、經(jīng)濟(jì)性、適用性、科學(xué)性出發(fā)，選擇合適的節(jié)能材料、節(jié)能材料，以合適的節(jié)能構(gòu)造方法，采取必要的節(jié)能輔助措施，才能取得較好的節(jié)能效果。

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