建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的相關(guān)設(shè)計問題探討

郭俊杰

（廣東省建筑設(shè)計研究院 廣東廣州 510010）

1 引言

隨著近幾年的發(fā)展，人們生活水平不斷提高，對居住環(huán)境以及工作環(huán)境開始有了跟更高的要求，因此建筑結(jié)構(gòu)開始變得復(fù)雜化，建筑的功能性也變得多種多樣。由于現(xiàn)在的建筑以高層建筑為主，而高層建筑因跨度、空間、用途等因素的限制，出現(xiàn)上下部結(jié)構(gòu)布置的差異，為了使這種差異能夠在結(jié)構(gòu)上得以實現(xiàn)，就出現(xiàn)了上下部轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換層。這種滿足建筑內(nèi)部需求的轉(zhuǎn)換層開始不斷應(yīng)用于各類建筑，其設(shè)計問題也開始不斷凸顯。

2 建筑轉(zhuǎn)換層的設(shè)計原則和分類

2.1 設(shè)計原則

建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層作為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵部位，不同的設(shè)計出發(fā)點對建筑物的正常使用和抗震能力均有很大影響，所以建筑轉(zhuǎn)換層應(yīng)遵循以下幾個原則：

（1）轉(zhuǎn)換層在建筑中的豎向位置應(yīng)當(dāng)就低不就高。

（2）減少需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的豎向構(gòu)件，因為直接落地的豎向構(gòu)件越多，整個建筑所需的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)就越少，從而造成的剛度突變越少，更利于抗震。

（3）在工程建造過程中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)建筑物的實際需求來選擇換層的結(jié)構(gòu)形式。

（4）確保建筑物整體性。盡可能減少轉(zhuǎn)換的豎向構(gòu)件，采用統(tǒng)一方向的構(gòu)件，從最開始的設(shè)計文件中要體現(xiàn)出來，能夠提高建筑物的穩(wěn)定性，延長建筑物的使用壽命。直接落地的剪力墻越多，需轉(zhuǎn)換的其他結(jié)構(gòu)就會越少，這樣整個轉(zhuǎn)換層剛度突變的程度就越少，對整個建筑結(jié)構(gòu)的整體性越有利。

2.2 轉(zhuǎn)換層分類

一般來說，建筑工程上下部結(jié)構(gòu)在使用功能方面會存在著較大的差異。對于結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層來說，樓層的上部和下部使用功能的變化，可以通過轉(zhuǎn)換層的設(shè)計，實現(xiàn)這種功能變化的需求。根據(jù)結(jié)構(gòu)功能的不同，可以將轉(zhuǎn)換層大體分為兩類：①上層與下層結(jié)構(gòu)類型的轉(zhuǎn)換。這一類型的轉(zhuǎn)換層多用于剪力墻結(jié)構(gòu)以及框架－剪力墻結(jié)構(gòu)中，同時通過轉(zhuǎn)換層的應(yīng)用可以將上部剪力墻轉(zhuǎn)換為下部框架，這樣就可以創(chuàng)造底層較大的內(nèi)部自由空間；②上、下層的柱網(wǎng)、軸線改變。雖然轉(zhuǎn)換層的上部、下部結(jié)構(gòu)形式?jīng)]有發(fā)生改變，但是通過轉(zhuǎn)換層的使用，可以使下層柱的柱距進(jìn)一步擴(kuò)大，進(jìn)而可以形成大柱網(wǎng)，上部樓層剪力墻結(jié)構(gòu)通過應(yīng)用轉(zhuǎn)換層，可以進(jìn)一步改變?yōu)榭蚣芙Y(jié)構(gòu)，并且柱網(wǎng)軸線和上部樓層之間的軸線是錯開的，進(jìn)而可以形成上下結(jié)構(gòu)不對齊的布置狀況如圖1梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式。

圖1 梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式

3 結(jié)構(gòu)選型以及結(jié)構(gòu)布置的分析

3.1 框架剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計原理

由于使用功能的需要，建筑的底層結(jié)構(gòu)一般需要較大的自由空間，因而經(jīng)常采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)；建筑中層通常應(yīng)用剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行過渡，但是對于較高樓層，它的內(nèi)力傳遞需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換構(gòu)件。如果采用厚轉(zhuǎn)換形式，它的傳力路徑質(zhì)量大，并且受力較為復(fù)雜、不清晰，容易造成了轉(zhuǎn)換層附近構(gòu)件應(yīng)力集中的問題。同時，由于受到造價費用的影響，現(xiàn)階段多采用梁式轉(zhuǎn)換。如圖2為轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)平面布置圖。

圖2 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)平面布置圖

3.2 相對應(yīng)轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于超限高層建筑的主次梁結(jié)構(gòu)有著較多的優(yōu)勢，比如說施工過程較為簡單、受力明確，并且設(shè)計施工過程中開設(shè)的洞口大多在轉(zhuǎn)換梁受力較小的部位，因而這一結(jié)構(gòu)能夠滿足建筑設(shè)備的管線布置以及建筑使用功能等方面的要求。在進(jìn)行轉(zhuǎn)換梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，要針對具體的工程建設(shè)狀況來進(jìn)行設(shè)計，進(jìn)而提升超限高層建筑的穩(wěn)定性與安全性。

4 建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

4.1 建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計

4.1.1 水平地震

建筑轉(zhuǎn)換層抗震設(shè)計中最不利的條件之一是高位轉(zhuǎn)換引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力問題。經(jīng)過大量的計算結(jié)果，在水平地震作用下，由于轉(zhuǎn)換層主要是剪力墻，所以落地所分配得到的力更大，支撐力減少。

4.1.2 垂直地震

在考慮水平地震時應(yīng)考慮垂直地震，并在分析數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，計算三層或以上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，大大降低了地震作用。由于現(xiàn)代建筑以高層建筑為主，高層建筑是一種復(fù)雜的且不利于地震的結(jié)構(gòu)，因此根據(jù)建筑物的結(jié)構(gòu)類型和建筑物的結(jié)構(gòu)高度等因素來采取相應(yīng)的措施。

4.2 建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的布置

4.2.1 門孔的設(shè)計

在建筑轉(zhuǎn)換層的下層剪力墻中，一般不適合設(shè)置門洞，而門孔也不適合設(shè)在中間柱的上部。根據(jù)大量數(shù)據(jù)計算，門洞是剪力墻受力不均勻的原因，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)應(yīng)力損傷，與此同時，門應(yīng)當(dāng)設(shè)置在墻體中間區(qū)域，這樣可以使建筑整體結(jié)構(gòu)受力均勻。

4.2.2 地下室厚板轉(zhuǎn)換層

前面提到了如何提高整個建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的抗震性能，因此在非震區(qū)或低震區(qū)，可以采用該方法來改變厚度板。而且空曠的地下室也可以采用這種方法，因為地下室封閉，所以地震反應(yīng)會小于地面，所以在設(shè)計地下室時可以采用厚板過渡層。

4.2.3 轉(zhuǎn)換層建立

由于建筑豎向構(gòu)件的不連續(xù)，需要在過渡層中選擇安全可靠的轉(zhuǎn)換層組件，根據(jù)現(xiàn)今的數(shù)據(jù)分析，構(gòu)件的轉(zhuǎn)換可以采取厚板、大梁、箱型結(jié)構(gòu)等形式。

4.2.4 遵守高規(guī)中的相關(guān)規(guī)定

由于現(xiàn)今的《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的要求，帶有轉(zhuǎn)換層的建筑應(yīng)當(dāng)滿足相應(yīng)的剛度和墻厚要求，剪力墻要有相應(yīng)的上下貫通的剛度，并根據(jù)相應(yīng)的剛度來增加墻體厚度。同時平面的框支剪力墻的結(jié)構(gòu)根據(jù)抗震性，其設(shè)計就應(yīng)當(dāng)更加嚴(yán)格，通過控制和遵守高規(guī)控制剛度的突變，減少內(nèi)力在墻體上的突變，保證轉(zhuǎn)換層能夠有足夠的剛度來傳遞各結(jié)構(gòu)之間的剪力，防止轉(zhuǎn)換柱的變形和破壞。高規(guī)附錄中規(guī)定當(dāng)轉(zhuǎn)換層設(shè)置在1、2層時，轉(zhuǎn)換層與其相鄰上層結(jié)構(gòu)的等效剪切剛度比宜接近1，非抗震時小于等于3，抗震設(shè)計時小于等于2。

4.3 建筑轉(zhuǎn)換層上下結(jié)構(gòu)的剛度

建筑轉(zhuǎn)換層上部與下部結(jié)構(gòu)的不同形成的剛度突變，會對建筑構(gòu)件的彎曲、變形等產(chǎn)生影響。

4.3.1 確保轉(zhuǎn)換層剛度

轉(zhuǎn)換層的剛度是決定轉(zhuǎn)換層設(shè)計成功與否的絕對性因素，特別是在高層建筑的設(shè)計與施工過程中，高層建筑本身的高度和自身重量對轉(zhuǎn)換層影響十分巨大，轉(zhuǎn)換層的剛度成為其中一個薄弱的環(huán)節(jié)。所以為了保證建筑物結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，就要保證轉(zhuǎn)換層的剛度，查閱相關(guān)資料，轉(zhuǎn)換層的剛度應(yīng)大于上層剛度的70%，才能保證建筑物的穩(wěn)定性。為了確保高剛度的轉(zhuǎn)換層，應(yīng)當(dāng)采用比設(shè)計等級高一個等級的混凝土，保證轉(zhuǎn)換層剛度不低于設(shè)計水平，從而確保建筑物的穩(wěn)定性能。

建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)中，層高、梁柱尺寸是影響剛度比的重要因素，建筑轉(zhuǎn)換層在三層及三層以上時，應(yīng)當(dāng)根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》所規(guī)定的側(cè)向剛度比具體要求，來進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置。

4.3.2 樓層側(cè)向剛度比

在建筑轉(zhuǎn)換層在三層以及以上時，樓層的側(cè)向剛度比應(yīng)當(dāng)不小于上一樓層的側(cè)向剛度的65%，《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的這一規(guī)定是為了防止轉(zhuǎn)換層上下樓層剛度出現(xiàn)差異較大的情況。與此同時，層側(cè)向剛度比的限度值為60%，《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定了樓層側(cè)向剛度不應(yīng)當(dāng)小于相鄰上層的側(cè)向剛度比的70%，不宜小于相鄰上部三層剛度平均值的80%。

4.4 合理布置轉(zhuǎn)換層

由于建筑物力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，各層內(nèi)力隨著高度變化而變化，因此高層結(jié)構(gòu)垂直位置的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)應(yīng)該要合適，宜低不宜高。轉(zhuǎn)換層的位置較高時，容易造成在轉(zhuǎn)換層附近上下的樓層的框支剪力墻結(jié)構(gòu)剛度、內(nèi)力和傳力受力途徑發(fā)生突變，形成薄弱的受力層，降低整個建筑物的穩(wěn)定性，不利于建筑抗震，對建筑物抗震設(shè)計不利，所以轉(zhuǎn)換層高度的設(shè)計應(yīng)盡量低。

除了轉(zhuǎn)換層高度的考慮，還應(yīng)該注意轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計，轉(zhuǎn)換層以上的剪力墻和柱子應(yīng)盡量對稱布置，被轉(zhuǎn)換構(gòu)件應(yīng)布置在轉(zhuǎn)換梁跨中，且重心與轉(zhuǎn)換梁軸心重合，超過梁的承載能力范圍。

5 結(jié)束語

綜上所述，在所有建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計中，必須根據(jù)施工方的相應(yīng)要求以及工程本身所具有的特點和數(shù)據(jù)來對建筑進(jìn)行探究，從而計算出最適合該工程的設(shè)計方案，同時要從宏觀與微觀兩個方面來考慮和選擇合理、科學(xué)的設(shè)計方案。本文詳細(xì)介紹了轉(zhuǎn)換層的定義，和在高層超高層建筑結(jié)構(gòu)中設(shè)計轉(zhuǎn)換層的必要性，即轉(zhuǎn)換層是伴隨著高層建筑的發(fā)展而產(chǎn)生的，轉(zhuǎn)換層將整個建筑的使用功能和結(jié)構(gòu)性能統(tǒng)一的結(jié)合起來，提高了建筑物的抗震性能和整體性，使得商用民用結(jié)合為一體。

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