高層建筑中轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀和發(fā)展

馮義波 李琦

淄博市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 255000

摘要：文章介紹高層建筑轉(zhuǎn)換層的概況，對轉(zhuǎn)換層的幾種轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行分析比較，探討轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢，提出研究中存在的問題，表明轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)推動(dòng)了高層建筑及其結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：高層建筑；轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)換方式

一、概述

近年來國內(nèi)外高層建筑發(fā)展迅速，現(xiàn)代高層建筑越建越高、越建越大，其建筑向著體型復(fù)雜、功能多樣的綜合性方向發(fā)展。在同一座建筑中，沿房屋高度方向的建筑功能要發(fā)生變化，上部樓層布置旅館、住宅；中部樓層作為辦公用房；下部樓層作商店、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。

從建筑功能上看，上部需要小開間的軸線布置和需要較多的墻體以滿足旅館和住宅的功能要求；中部則需要小的或中等大小的室內(nèi)空間，可以在柱網(wǎng)中布置一定數(shù)量的墻體以滿足辦公用房的功能要求；下部需要盡可能大的自由靈活的室內(nèi)空間，要求柱網(wǎng)大、墻體盡量少，以滿足商店、餐館等公用設(shè)施的功能要求。

從結(jié)構(gòu)受力上看，由于高層建筑結(jié)構(gòu)下部樓層受力很大，上部樓層受力較小，正常的結(jié)構(gòu)布置應(yīng)是下部剛度大，墻體多、柱網(wǎng)密，到上部漸漸減少墻、柱的數(shù)量，以擴(kuò)大柱網(wǎng)。這樣，結(jié)構(gòu)的正常布置與建筑功能對空間的要求正好相反。因此，為滿足建筑功能的要求，結(jié)構(gòu)必須進(jìn)行“反常規(guī)設(shè)計(jì)”，即將上部布置小空間，下部布置大空間；上部布置剛度大的剪力墻，下部布置剛度小的框架柱。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)。

二、轉(zhuǎn)換層的主要轉(zhuǎn)換方式

轉(zhuǎn)換層樓蓋依其受力狀態(tài)的不同可以分為梁式樓蓋轉(zhuǎn)換、箱形樓蓋轉(zhuǎn)換、桁架轉(zhuǎn)換、厚板轉(zhuǎn)換和斜柱轉(zhuǎn)換。

梁式樓蓋：在現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板上布置單向托梁（縱向或橫向）或雙向托梁（縱、橫向）或斜向托梁，以承托在本層落空的上面各層的承重柱或剪力墻。該種轉(zhuǎn)換形式一般用于底部大空間剪力墻結(jié)構(gòu)，當(dāng)需要縱橫向同時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)，采用雙向梁的布置。對于框筒或筒中筒結(jié)構(gòu)，由于外框筒的柱一般較密，在底部一、二層的出入口處往往不能滿足使用要求，有時(shí)要求把外筒在局部減少，因而形成上層有柱、下層無柱的情況，有時(shí)出入口不止一處，對此情況可以在相應(yīng)樓層下做一圈轉(zhuǎn)換大梁，把上部柱的荷載通過轉(zhuǎn)換大梁傳到下層兩邊的柱上去。

箱形樓蓋：以上、下兩層樓板作為構(gòu)件的上下翼緣，并在其間設(shè)置若干片單向或雙向腹板（豎隔板）后，所形成的箱形水平抗彎構(gòu)件。轉(zhuǎn)換層箱形樓蓋的適用范圍與梁式樓蓋大致相同，即可用于上下層的構(gòu)件類型轉(zhuǎn)換，柱網(wǎng)尺寸的擴(kuò)大以及構(gòu)件軸線單向錯(cuò)位等。但是箱形樓蓋具有比梁式樓蓋大得多的承載能力，因此箱形樓蓋特別適用于大跨度以及承托大荷載的柱和墻。

桁架轉(zhuǎn)換：對于下部是商場、娛樂設(shè)施而上部是住宅、客房等情況的建筑，一般在客房或住宅與商場之間設(shè)有一個(gè)管道設(shè)備層，可以利用設(shè)備層的空間根據(jù)上、下柱網(wǎng)軸線的位置設(shè)置桁架。桁架上部的柱或墻的荷載通過桁架傳到下部較大間距的柱或墻上，而設(shè)備管道又可以在桁架的腹內(nèi)穿行。

厚板轉(zhuǎn)換：當(dāng)結(jié)構(gòu)上、下柱網(wǎng)軸線錯(cuò)開較多，難以用梁直接承托時(shí)，可以做成厚板，形成板式承臺(tái)轉(zhuǎn)換層，板式轉(zhuǎn)換層的下層柱網(wǎng)可以靈活布置，無須與上層結(jié)構(gòu)對齊。厚板厚度要視柱網(wǎng)尺寸及上部荷載而定，但是這種轉(zhuǎn)換層體系自重很大，材料耗用較多。厚板樓蓋雖然外形比較簡單，但是由于它很厚，其厚度有時(shí)達(dá)到3.0m，自重很大，差不多等于20層一般樓蓋的自重，對抗震不利。在地震作用下，這樣大的質(zhì)量必將引起很大的水平地震作用，而且是作用于一個(gè)樓層的水平集中力，它會(huì)使下面樓層的層間側(cè)移變得較大。此外，由于厚板樓益的水平剛度和豎向剛度均很大，相比之下，使得上、下樓層因?qū)娱g抗推剛度顯得較小，而變成“相對柔弱層”。從而加劇其上、下樓層的塑性變形集中效應(yīng)，進(jìn)一步加大上、下樓層的層間側(cè)移值，以致降低這些樓層的結(jié)構(gòu)抗震可靠度，加重其破壞程度。因此，對于地震區(qū)的高樓，轉(zhuǎn)換層要慎用厚板樓蓋。萬不得已必須采用厚板樓蓋時(shí)，一定要采取措施提高其上下各樓層的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形能力。

斜柱轉(zhuǎn)換：斜柱轉(zhuǎn)換是一種可在大量超高層、高層建筑中推廣采用的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形式。它是桁架轉(zhuǎn)換中最簡單的一種，采用它將會(huì)改變轉(zhuǎn)換層不便使用的概念，將目前巨型梁轉(zhuǎn)換僅能供作管道層改為可進(jìn)行營運(yùn)的有效使用面積，變“死”空間為活空間，使轉(zhuǎn)換層具有了更大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

三、轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢

上世紀(jì)70年代中期，國內(nèi)開始嘗試使用底層大開間剪力墻結(jié)構(gòu)（即梁式轉(zhuǎn)換層），轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用發(fā)展迅猛，工程實(shí)際中轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用正朝著形式多樣、方法多樣以及結(jié)構(gòu)受力更有利的方向發(fā)展。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（一）鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換層的應(yīng)用

由于建筑朝著高層和超高層形式發(fā)展，相應(yīng)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)換構(gòu)件承托的層數(shù)也增多；同時(shí)，又由于建筑功能對層高及空間的種種要求和限制，這使得工程應(yīng)用中鋼骨混凝土材料的引入勢在必行。鋼骨混凝土梁不僅承載力高、剛度好，可大大減小截面尺寸，且塑性、耐久性、抗震性能也優(yōu)于鋼筋混凝土梁。

此外，鋼骨混凝土梁在施工階段其自身剛度好，定位準(zhǔn)確，可減少支模，加快施工進(jìn)度。目前，國內(nèi)采用鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換構(gòu)件的實(shí)際工程還不多，但國外采用則較多。

（二）預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換層的應(yīng)用

采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)可帶來許多結(jié)構(gòu)和施工上的優(yōu)點(diǎn)，如減小截面尺寸、控制裂縫和撓度、控制施工階段的裂縫及減輕支撐負(fù)擔(dān)，等等。因此，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)非常適合于建造承重荷載的大跨度轉(zhuǎn)換層，且自重輕，節(jié)省鋼材和混凝土。隨著我國預(yù)應(yīng)力技術(shù)的發(fā)展，預(yù)應(yīng)力材料及施工費(fèi)用不斷下降，即使用材料等強(qiáng)代換的概念從經(jīng)濟(jì)上來比較預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，許多情況下后者并不比前者經(jīng)濟(jì)。

（三）轉(zhuǎn)換梁受力性能的改善

實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，轉(zhuǎn)換梁的截面尺寸通常是由它的抗剪承載力要求來確定的，截面尺寸往往較大，由于梁很強(qiáng)，處理不好有可能使轉(zhuǎn)換梁與框支柱形成的框架出現(xiàn)強(qiáng)梁弱柱的現(xiàn)象，對結(jié)構(gòu)的抗震不利；另一方面，采用轉(zhuǎn)換梁也或多或少會(huì)影響該層的使用空間；對外筒的轉(zhuǎn)換，采用轉(zhuǎn)換梁會(huì)對該層的通風(fēng)、采光等不利，若開設(shè)洞口，則會(huì)產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。因此，尋求新的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形式和改善轉(zhuǎn)換梁受力性能的有效措施有其必要性。

四、轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)研究的幾個(gè)問題

（一）帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能和抗震設(shè)計(jì)方法的研究

高層建筑中，由于設(shè)置了轉(zhuǎn)換層，建筑物高度方向剛度的均勻性受到了很大的破壞，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)豎向承力構(gòu)件不連續(xù)和墻、柱截面的突變，導(dǎo)致了傳力路線曲折、變形集中和應(yīng)力集中，因此轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的抗震性能較差。目前有關(guān)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性和抗震性能的研究還不多，現(xiàn)行規(guī)范中也沒有給出明確的條款，如何準(zhǔn)確建立高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)地震作用的計(jì)算模式有待進(jìn)一步研究。

（二）轉(zhuǎn)換層上、下層結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比的描述方法和合理剛度比的研究

目前轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比是按樓層剪切剛度比來控制的，但存在著考慮豎向構(gòu)件的布置位置不同，對層剛度的貢獻(xiàn)是不同的，而樓層剪切剛度比并沒考慮豎向構(gòu)件的布置問題；同時(shí)還存在特殊結(jié)構(gòu)布置情況下剪切面積取值不明確等問題。因此，采用何種剛度指標(biāo)來描述轉(zhuǎn)換層上、下層結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比的變化以及取值范圍等有待研究。

（三）轉(zhuǎn)換層樓板平面的內(nèi)力和變形問題

目前，實(shí)際工程設(shè)計(jì)中采用的高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算分析程序均采用了樓板在自身平面內(nèi)剛度為無窮大的假定，這一假定使得位于樓板平面的桿件無法直接計(jì)算其軸向變形和桿件的軸向內(nèi)力。但試驗(yàn)表明，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)不計(jì)算位于樓板平面內(nèi)的變形是不安全的。因此，轉(zhuǎn)換層樓板平面的內(nèi)力和變形問題有待進(jìn)一步研究。

五、結(jié)語

轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)是一種新型的結(jié)構(gòu)形式，它的出現(xiàn)推動(dòng)了高層建筑及其結(jié)構(gòu)體系形式的發(fā)展。極大地促進(jìn)了建筑科學(xué)的進(jìn)步。轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式多樣且各具特點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際情況加以選用，并應(yīng)注重轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)。合理的結(jié)構(gòu)平面和豎向布置可以從整體上形成良好的抗震體系，保證建筑物的安全性和經(jīng)濟(jì)性。