高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘要：隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)高層建筑的功能需求越來(lái)越多，向多樣化、綜合化和全面化發(fā)展的趨勢(shì)愈演愈烈。因高層建筑的各組成部分使用功能不同，因此在建筑物施工過(guò)程中，其結(jié)構(gòu)形式、柱網(wǎng)布置等面臨著較大的挑戰(zhàn)。當(dāng)前，在我國(guó)較常見(jiàn)的建筑物形式為上部為小開(kāi)間的民用住宅，較多的墻體來(lái)分隔空間以滿足戶型的需要；下部為大開(kāi)間的商場(chǎng)或公共娛樂(lè)場(chǎng)所，大柱網(wǎng)、少墻體，以滿足公共使用要求。為了實(shí)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)形式的建筑物，必須在上下不同的結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換的樓層設(shè)置轉(zhuǎn)換層，完成結(jié)構(gòu)變化形式的過(guò)渡。筆者根據(jù)自身多年的工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了自己的看法，望能給相關(guān)工作人員一些啟示。

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

隨著城市建設(shè)步伐的加快，高層建筑的功能需求也發(fā)生了很大的變化，不再是單一、枯燥和片面的。常見(jiàn)的建筑物結(jié)構(gòu)形式為民用住宅與公共場(chǎng)所通過(guò)墻體、柱網(wǎng)進(jìn)行分開(kāi)，各自滿足自身的使用要求。在這其中運(yùn)用到了轉(zhuǎn)換層，只有通過(guò)轉(zhuǎn)換層才能實(shí)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)變化形式的過(guò)渡，完成各自的需求功能。本文通過(guò)介紹轉(zhuǎn)換層的概念、設(shè)計(jì)原則及結(jié)構(gòu)形式、受力特點(diǎn)，分析轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)，望能起到拋磚引玉的效果。

一#8195;轉(zhuǎn)換層的定義及設(shè)計(jì)原則

1 定義

一般情況下，位于高層建筑結(jié)構(gòu)的下部受力較大，而上部結(jié)構(gòu)受力相對(duì)較小，因此為了保證整個(gè)建筑的安全性，必須確保下部結(jié)構(gòu)牢靠，因此通常在下部結(jié)構(gòu)布置的剛度大、墻體多、柱網(wǎng)密，越往上部建造，所需的墻、柱數(shù)量都相應(yīng)減少，從而擴(kuò)大柱網(wǎng)。導(dǎo)致整體的建筑物出現(xiàn)上部的活動(dòng)空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)比下部的活動(dòng)空間要大，不符合建筑功能對(duì)空間的需求。為了實(shí)現(xiàn)建筑功能需求，必須打破原有的常規(guī)設(shè)計(jì)，在創(chuàng)新的過(guò)程中，就會(huì)使用到轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，其功能主要是在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的樓層設(shè)計(jì)水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件，使得整個(gè)建筑符合其使用功能。

2 設(shè)計(jì)原則

因在建筑物中設(shè)置轉(zhuǎn)換層可使其豎向剛度發(fā)生突變，降低了結(jié)構(gòu)的抗震能力，為了防止這種情況的出現(xiàn)，應(yīng)遵循以下設(shè)計(jì)原則：在設(shè)置轉(zhuǎn)換層時(shí)，應(yīng)盡量選用直接落地的豎向構(gòu)件，因?yàn)樾杞Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的豎向構(gòu)件能夠引起剛度突變，影響結(jié)構(gòu)的抗震能力；另外，應(yīng)在高層建筑豎向位置較低的地方設(shè)置轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，把握宜低不宜高的原則；對(duì)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，保證選用的換層結(jié)構(gòu)型式具有明確的傳力路徑，有利于結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)和保證施工量；轉(zhuǎn)換剛度不可過(guò)大，在考慮建筑物安全和經(jīng)濟(jì)的前提下，堅(jiān)持宜小不宜大的方法。

二#8195;高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)

1 粱式轉(zhuǎn)換。目前，在高層建筑中實(shí)現(xiàn)垂直轉(zhuǎn)換最常用的結(jié)構(gòu)形式是粱式轉(zhuǎn)換，其傳力途徑直接、明確，是由上部墻經(jīng)轉(zhuǎn)換梁傳力給下部柱，完成整個(gè)建筑物的使用功能的。這種轉(zhuǎn)換方式不僅有利于工程的計(jì)算、分析及設(shè)計(jì)，在成本造價(jià)上也較低，因此廣為人們所應(yīng)用，根據(jù)資料顯示，其數(shù)量是轉(zhuǎn)換層總量的77％。選擇轉(zhuǎn)換梁的截面高度通常為0.8~6m，在帶轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的高層建筑中主要以梁式轉(zhuǎn)換層為主。

2 箱式轉(zhuǎn)換。這種轉(zhuǎn)換方式是通過(guò)單向托粱和雙向托粱與上、下層較厚的樓板澆筑為一個(gè)整體而實(shí)現(xiàn)的，這種轉(zhuǎn)換層剛度較大。

3 板式轉(zhuǎn)換。板式轉(zhuǎn)換層主要是應(yīng)用在轉(zhuǎn)換層上下柱網(wǎng)錯(cuò)開(kāi)較多、布置沒(méi)有次序、無(wú)法用梁進(jìn)行承托的情況下，需將轉(zhuǎn)換層做成2.0~2.8m厚度的轉(zhuǎn)換板，這是從抗剪和抗沖切的角度考慮的。這種轉(zhuǎn)換層的下層柱可靈活擺動(dòng)，然而因自重較大，所費(fèi)材料較多，拖工難度大。

4 桁架轉(zhuǎn)換。桁架主要包括空腹桁架與實(shí)腹桁架兩類。與梁式轉(zhuǎn)換層相比，這種轉(zhuǎn)換層的受力更加清楚、明確，使用、活動(dòng)空間更大，自重小，抗震性能也更高。然而其節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)復(fù)雜，由于受到各種因素的限制，無(wú)法廣泛運(yùn)用于各類高層建筑中。

桁架轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)的基本原則是“強(qiáng)斜腹桿、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”，因節(jié)點(diǎn)受力錯(cuò)綜復(fù)雜，出現(xiàn)剪切脆性破壞的情況較多，引起計(jì)算配筋多，為施工帶來(lái)了一定的難度，從而應(yīng)用受到限制。在使用桁架轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)時(shí)時(shí)注意一下幾個(gè)方面：（1）設(shè)計(jì)桁架轉(zhuǎn)換層時(shí)，高度要求在3m 以上，若層高受到限制，無(wú)法達(dá)到要求，使得斜壓腹桿形成超短柱，那么在地震發(fā)生時(shí)便有可能出現(xiàn)脆性破壞；（2）施工時(shí)，為了將桁架的受力優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮出來(lái)，應(yīng)確保上弦節(jié)點(diǎn)與上部集中荷載的中心對(duì)齊；（3）施工時(shí)，注意將預(yù)應(yīng)力施加在上下弦和斜拉腹桿中，可明顯減少構(gòu)件的截面，減少了材料用量，對(duì)降低整個(gè)工程的造價(jià)具有較大的作用。

5 斜柱轉(zhuǎn)換。這種轉(zhuǎn)換層能夠發(fā)揮混凝土可壓縮性能的優(yōu)勢(shì)，為整個(gè)建筑擴(kuò)大利用空間，其為比較特殊的一種結(jié)構(gòu)形式。使用此類轉(zhuǎn)換層，會(huì)增大水平荷載，因此為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，以建筑物的平面布置為前提，在轉(zhuǎn)換層施工中添加圈梁或拉梁，以最短的路徑，達(dá)到相互平衡。施工時(shí)，應(yīng)考慮斜柱轉(zhuǎn)換層的荷載分擔(dān)，只有將轉(zhuǎn)換斜柱盡量連接在更多的樓層，而減少分布在上下樓層的荷載，才能保證此類轉(zhuǎn)換層的安全及設(shè)計(jì)的方便。

6 巨型框架轉(zhuǎn)換。此類轉(zhuǎn)換層具有比較好的前景，也是目前我國(guó)建筑業(yè)的發(fā)展方向。巨型框架轉(zhuǎn)換具有較好的抗震性能，主要是由豎向筒體或巨型柱與一道或多道大梁組成，從結(jié)構(gòu)上看，也是由多個(gè)梁式轉(zhuǎn)換層組成。在施工前，通過(guò)模擬施工過(guò)程的設(shè)計(jì)方法，掌握在施工中遇見(jiàn)的問(wèn)題，有效解決臨時(shí)支撐情況及維持足夠的抗側(cè)剛度。

三#8195;轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)

1 框支柱。框支柱截面尺寸一般由軸壓比決定，還應(yīng)滿足剪壓比。軸壓比主要影響框支柱的延性，只有嚴(yán)格控制其軸壓比，才能保證框支柱的延性能夠應(yīng)用于高層建筑中。工程框支柱的抗震等級(jí)為一級(jí)，因此其軸壓比應(yīng)小于0.6；若是截面尺寸較大，那么其軸壓比就應(yīng)小于0.55。其延性還受到配箍率的影響，因此與一般框架柱相比，支柱的配箍率要大得多。在轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)中，框支柱是很重要的構(gòu)件，保證其安全性對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)都具有非常重大的意義。因此柱端剪力及柱端彎矩都應(yīng)與相應(yīng)的增大系數(shù)相乘，計(jì)算每層框支柱的承受剪力和時(shí)，直接選取基底剪力的30%。在計(jì)算時(shí)，一般采用程序進(jìn)行，假設(shè)的條件是樓板剛度無(wú)限大，根據(jù)豎向構(gòu)件的剛度，對(duì)水平剪力進(jìn)行分配。因框支柱遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于底部剪力墻剛度，因此框支柱剪力較小。在實(shí)際建筑中，由于受到各種因素的影響，工程中的樓板會(huì)出現(xiàn)變形現(xiàn)象，剪力墻也會(huì)產(chǎn)生裂縫，這些方面都會(huì)降低剛度，從而增加框支柱剪力。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，會(huì)將增大框支柱剪力的部分獨(dú)立出來(lái)，單獨(dú)做出要求。此外，應(yīng)將位于框支柱上部墻體的縱筋伸入到上部墻體內(nèi)一層，強(qiáng)化轉(zhuǎn)換層上下之間的連接；位于墻體范圍外的縱筋應(yīng)采取水平錨入轉(zhuǎn)換層梁板內(nèi)的方法，達(dá)到錨固要求。

2 框支梁

作為上下層荷載的傳輸樞紐，框支梁能夠保證框支剪力墻抗震性能。框支梁截面尺寸主要受剪壓比支配，寬度應(yīng)大于其2倍的上墻厚，并保持在400 mm以上；高度應(yīng)根據(jù)計(jì)算出的跨度決定，為跨度的1/6；在施工中，規(guī)定框支梁的梁寬為800 mm。由于其的受力較巨大、復(fù)雜，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證留有一定的安全儲(chǔ)備。框支梁縱筋的抗震等級(jí)為二級(jí)，要求其配筋率應(yīng)大于0.4%。在符合計(jì)算要求的前提下，框支梁的配筋率規(guī)定大于0.8%。因框支梁的受力不均勻，梁中存在較大的軸力，因此應(yīng)配備一定的腰筋量，保證施工順利實(shí)施。腰筋采用Φ18規(guī)格，沿梁高間距小于200 mm，并應(yīng)可靠錨入支座內(nèi)。作為抗震的重要構(gòu)件，框支梁的受剪很大，應(yīng)遵循“強(qiáng)剪弱彎”的方針，在縱筋數(shù)量較多的背景下，加強(qiáng)箍筋。

3 轉(zhuǎn)換層樓板

以轉(zhuǎn)換層為界，框支剪力墻被分為上下兩部分，且這兩者的受力情況是有差異的。上部樓層中，外荷載產(chǎn)生的水平力具有一定的分配原則，是根據(jù)各片剪力墻的等效剛度比例來(lái)進(jìn)行的；下部樓層中，框支柱的剛度不同于落地剪力墻間的剛度，水平剪力主要由后者承擔(dān)，即在轉(zhuǎn)換層處荷載分配不均勻。轉(zhuǎn)換層樓板的任務(wù)較重，主要負(fù)責(zé)完成上下部分剪力重分配，且因轉(zhuǎn)換層樓板自身存在的受力大、變形大特點(diǎn)，必須要有足夠的剛度來(lái)支撐其任務(wù)的完成。

由此可知，轉(zhuǎn)換層在高層建筑的應(yīng)用必不可少。每座建筑的結(jié)構(gòu)都有其自身的特點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)需要，選擇合適的轉(zhuǎn)換層類型。在施工中，還用注意每一環(huán)節(jié)的施工，在了解各構(gòu)件特性的基礎(chǔ)上，合理的發(fā)揮其長(zhǎng)處、解決其短處，保證轉(zhuǎn)換層的質(zhì)量。

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