關于高層轉換層結構的設計探討

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摘要：結構安全一直是建筑行業內討論的問題之一。隨著我國經濟快速發展，人們對于建筑的大空間、多功能等有了更高的要求。因而出現了轉換層結構。本文根據工程案例，對轉換層結構設計進行探討。

關鍵詞：高層建筑；轉換層結構

當今建筑業為了適應經濟社會發展的需求，不斷地改進自己的設計技術，建筑結構設計革新技術也隨著時代的進步迅速發展，對于建筑物的安全性能及使用功能的要求也日益復雜化，建筑結構常常需要采用結構轉換層來完成上、下層建筑物結構的轉換，一般結構層相比，轉換層結構具有結構重量大、結構層剛度大、幾何尺寸超大、受力復雜等特點。這意味著轉換結構組成了建筑物的主要構件，它們的設計是否合理、安全、經濟對整個結構的安全性、結構造價、施工費用等有著重要的影響。通過時鋼桁架轉換層高層建設結構體系的工程實例的分析，從結構選型的確定等方面進行系統的研究。以得到一些對設計有實際指導意義的結論。

1.轉換層高層建筑結構的構造要求

結構設計不僅是對建筑物本身功能的設計，還關系到建筑物的建設成本，這就需要設計人員優化結構設計，降低建設成本。其優化目標就是實現建筑的本體功能性、安全性、經濟性與環保性。為了實現這一目標，未來的從事結構設計者將遵循功能性、安全性、經濟性、環保性四位一體的設計思路，真正實現未來建筑結構的優化升級，為人類提供一個更好的物質生存與發展環境。

轉換層的結構應按“強化轉換層及其下部、弱化轉換層上部”的原則，使轉換層上下主體結構的側向剛度盡量接近，平滑過渡。抗震設計時。控制轉換層上下主體的結構側向剛度，當轉換層設置在3 層及 3 層以上時。其樓層側向剛度尚不應小于相鄰上部樓層側向剛度的60%。將轉換桁架置于整體空間結構中進行整體分析。此時，腹桿作為柱單元。上、下弦桿作為梁單元，按空間協同工作，三維空間分析程序計算整體的內力和位移。計算時，轉換桁架按實際桿件布置參與整體分析，但上、下弦桿的軸向剛度、彎曲剛度中應計入樓板的作用。整體結構計算需采用兩個以上不同力學模型的程序進行抗震計算。還應進行彈性時程分析并宜采用彈塑性時程分析校核。轉換層的結構設計中應按轉換層“強斜腹桿，強節點”。桁架轉換層上部框架結構接“強柱弱梁、強邊柱弱中柱”的原則，以保證轉換層的結構具有較好的延性，確保塑性餃在梁端出現，能夠滿足工程抗震的要求。轉換桁架的相鄰層樓板宜雙向雙層配筋，每個方向貫通鋼筋的配筋率不宜小于 0.25%，且在樓板邊緣、孔洞邊緣應結合邊粱設置予以加強。轉換桁架上、下弦桿的配筋應加上樓板平面內彎曲計算引起的附加鋼筋。

2.轉換層商層建筑結構實例分析

對于大跨度的桁架轉換層結構的受力。各方面的影響因素較多，導致結構受力情況比較復雜，對它的受力影響因素進行探討具有實際意義，可為實際工程的設計與施工提供理論依據。因此，通過對大跨度鋼桁架轉換層的受力影響因素進行分析，認識鋼桁架轉換層的受力特點。以期充分利用鋼結構構件受力性能好的特點，使其承擔較多的荷載作用。以調整端部混凝土結構的受力，減少混凝土結構的荷載作用，使整個結構體系的受力更為合理。下面結合工程實例分析高層轉換桁架的受力影響因素及其受力特點，某高層建筑為地上 24層，地下 2 層，總建筑面積 72788m2，其中地上 58300m2，地下 14488m2。平面長 92.1M，寬 49M。結構檐口標高為 108.80m，中間有電梯、樓梯、機房等的高層建筑。

2.1梁式轉換與鋼桁架轉換的比較確定

與最為常見的轉換結構形式粱式轉換相比，本例中轉換粱的跨度很大而且上部荷載較大，采用梁式的轉換結構，轉換梁的截面必然很大，一方面導致轉換梁下部空間無法再利用、自重大、配筋多、不經濟等缺點；另一方面導致沿豎向結構質量和剛度分布在轉換層的變化不連續。發生突變，對結構的整體抗震性能不利。因此，需要另一種形式的轉換構件來解決這個問題，而轉換桁架具有傳力明確，傳力途徑清楚，雖構造和施工復雜，但轉換桁架不僅為開洞和設置管道創造了條件，而且它們的位置與大小都有很大的靈活性，可以充分利用該轉換層的建筑空間，而且桁架轉換層的節間采用輕質建筑材料填充甚至可以外露不填充，有利于減輕結構的自重；轉換桁架的抗側力剛度比轉換粱要小，也就是說。具有桁架轉換層的高層建筑其質量和剛度的突變要比帶轉換粱的高層建筑緩和。因此帶轉換桁架的高層建筑其地震反應要比帶轉換梁的高層建筑小得多，由此可見，在本例工程的三層轉換構件采用轉換大粱的結構形式是不合適的，而采用轉換桁架的結構形式將很好的避免了上述的多個問題且將節約混凝土用量近30%。將是一個較為合理正確的選擇。

2.2轉換桁架的具體形式的確定

在本例工程的三層轉換構件采用確定桁架結構后，設計人員則需要進一步確定桁架的結構形式。根據前面的論述，轉換桁架的結構形式有多種，但是根據本例工程的三層轉換構件的具體情況，采用何種最合理的結構形式，則必須加以比較分析后方可確定。

2.2.1單層轉換桁架與雙層轉換桁架的確定

采用桁架結構作為高層建筑的轉換構件時，一般情況是取出一層層高的高度作為轉換桁架的高度。對于本項目，轉換桁架位于結構的邊緣，建筑師為了使轉換桁架對于立面的影響降至最小，希望桁架僅在中庭設置，即取一層高度（4.00m）作為轉換桁架的高度。在本例中各層的層高情況分別是：底層：6.44ml，二層：4.80m，三層以上：4.00mt，而結構的柱距為 9.0m，若僅取 4.00m 為桁架高度時，在柱與柱之間必須另設一個桁架節點以保證桁架斜腹桿與水平弦桿的角度在合理的450～550 之間。若取建筑的兩層層高即 8.00m 為轉換桁架的高度，則在柱與柱之間可以不必設置多余的桁架節點，使桁架的結構形式趨于簡單。

2.2.2空腹桁架、斜桿桁架、無豎桿桁架的比較確定

作為高層建筑中的轉換結構一桁架結構有如下的主要結構形式：空腹桁架、交叉斜桿桁架、無豎桿的交叉斜桿桁架。作為一種相對獨立的結構形式，無論采用何種結構形式。應該說都是可以實現的。對于建筑師來說，空腹桁架如果在構件尺寸可以接受的條件下。當然是首選，當然，采用無豎桿的交叉斜桿桁架形式，結構上可以使桁架的構造節點趨于簡單，在建筑師看來，也可以接受。

2.2.3單跨桁架與多跨桁架的確定

在確定了以交叉斜桿桁架作為本次項目的轉換結構的結構形式后，結構工程師尚發現在這個計算模型中的框架柱的內力較大。作為抗震設計“強柱弱梁”的一般設計原則，框架柱中的內力相對越大，則在柱中率先出現塑性鉸的可能性將越大。而在模型計算中同樣可以發現，Z2 的內力較大。而作為相鄰的柱 Z1 的內力則相對較小，尚有較大潛力。

綜上所述，采用將轉換桁架向外延伸一跨的做法，可以使本次工程的轉換桁架各構件的內力分布更為合理，也即是說，采用向外延伸一跨轉換桁架的結構形式在本次工程中是較為合理的選擇。

3.結論

在大跨度、大荷載條件下應用桁架轉換結構將比采用梁式轉換更合理，且可以節約混凝土用量近 30%，用鋼量可節約20%。在采用桁架結構作為工程的轉換構件時，帶豎桿的斜桿桁架中各構件的內力較為接近，可以取得較為一致美觀而又經濟的截面，而不帶豎桿的斜桿桁架中各構件的內力差別較大，最大將達40%左右。總之，隨著建筑業的發展，結構設計成為繁重而責任重大的工作，不但關系到建筑結構的安全性和耐久性，而且關系到建筑的適用性和經濟性。從而，設計人員在工作中應事無巨細，善于反思和總結工作中的經驗和教訓，才能將設計工作做好。