關(guān)于建筑高層轉(zhuǎn)換層設(shè)計探究

陳海峰

摘要：建筑物某層的上部與下部因平面使用功能不同，該樓層上部與下部采用不同結(jié)構(gòu)類型，并通過該樓層進行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，則該樓層稱為結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層在建筑中形式較多，應(yīng)用較廣。在高層建筑設(shè)計中，轉(zhuǎn)換層設(shè)計是結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個難點，更是不同形式結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵點，設(shè)計時應(yīng)不斷研究和進行方案比較，在可能的情況下做出較優(yōu)的技術(shù)方案才能實現(xiàn)安全、適用、經(jīng)濟等綜合目標(biāo)。本文就建筑高層轉(zhuǎn)換層設(shè)計要點進行綜合探究，旨在設(shè)計出科學(xué)合理的建設(shè)方案，減少施工的風(fēng)險和難度。

關(guān)鍵詞：建筑高層；轉(zhuǎn)換層設(shè)計；受力；功能

前言

現(xiàn)代高層建筑向多功能和綜合用途發(fā)展，在同一豎直線上，頂部樓層布置住宅、旅館，中部樓層作辦公用房，下部樓層作商店、餐館和文化娛樂設(shè)施。不同用途的樓層，需要大小不同的開間，采用不同的結(jié)構(gòu)形式。這種類型結(jié)構(gòu)的特點是豎向荷載作為結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計的目標(biāo)是把握好結(jié)構(gòu)構(gòu)件的撓度，而且轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的施工量繁重且復(fù)雜，應(yīng)該高度重視高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的施工過程。

1、高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層設(shè)計概述

1.1 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)功能。在建設(shè)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)建筑時要求上部的剛度大，下部的剛度小，這樣才能進行結(jié)構(gòu)布置。將上層的剪力墻轉(zhuǎn)換成下層的框架結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)大的空間結(jié)構(gòu)，這是第一層轉(zhuǎn)換層；上層和下層的結(jié)構(gòu)形式不改變，變更上、下層的柱網(wǎng)和軸線，目的在于增大下部柱子之間的距離，使柱子形成一個網(wǎng)，這種類型的轉(zhuǎn)換層經(jīng)常用在外框筒下面構(gòu)成一個入口，這是第二層轉(zhuǎn)換層；上層剪力墻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為框架結(jié)構(gòu)的同時，柱子的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的軸線與上層的軸線不是豎向連貫的，這就形成了上、下結(jié)構(gòu)布置的錯位，這是第三種轉(zhuǎn)換層。

1.2 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)分類。為了滿足建筑功能的要求，結(jié)構(gòu)必須以與常規(guī)方式相反進行布置，上部小空間，布置剛度大的剪力墻，下部大空間，布置剛度小的框架柱。為此，必須在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的樓層設(shè)置轉(zhuǎn)換層。結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層按結(jié)構(gòu)功能分為三類：第一，上層和下層結(jié)構(gòu)類型轉(zhuǎn)換。多用于剪力墻結(jié)構(gòu)和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，它將上部剪力墻轉(zhuǎn)換為下部的框架，以創(chuàng)造一個較大的內(nèi)部自由空間。第二，上、下層的柱網(wǎng)、軸線改變。轉(zhuǎn)換層上、下的結(jié)構(gòu)形式?jīng)]有改變，但是通過轉(zhuǎn)換層使下層柱的柱距擴大，形成大柱網(wǎng)，并常用于外框筒的下層形成較大的入口。第三，同時轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)軸線布置。即上部樓層剪力墻結(jié)構(gòu)通過轉(zhuǎn)換層改變?yōu)榭蚣艿耐瑫r，柱網(wǎng)軸線與上部樓層的軸線錯開，形成上下結(jié)構(gòu)不對齊的布置。轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)形式：當(dāng)內(nèi)部要形成大空間，包括結(jié)構(gòu)類型轉(zhuǎn)變和軸線轉(zhuǎn)變時，可采用梁式、桁架式、空腹桁架式、箱形和板式轉(zhuǎn)換層；當(dāng)框筒結(jié)構(gòu)在底層要形成大的入口，可以有多種轉(zhuǎn)換層的形式，如梁式、桁架式、墻式、合柱式和拱式等。目前，國內(nèi)用得最多的是梁式轉(zhuǎn)換層，它設(shè)計和施工簡單，受力明確，一般用于底部大空間剪力墻結(jié)構(gòu)，當(dāng)上下柱網(wǎng)、軸線錯開較多，難以用梁直接承托時，可以做成厚板或箱式轉(zhuǎn)換層，但其自重較大，材料耗用較多，計算分析也較復(fù)雜。

1.3 轉(zhuǎn)換層設(shè)計原則。首先，轉(zhuǎn)換層設(shè)計要有足夠的剛度。保證內(nèi)力合理的分配，要求梁的高度大于等于跨度1/6，轉(zhuǎn)換梁具有很好的受力能力，可以在結(jié)構(gòu)中起到很好的轉(zhuǎn)換功能。其次，高層建筑中轉(zhuǎn)換層的布置應(yīng)該低一些。轉(zhuǎn)換層布置較高時，框架剪力墻結(jié)構(gòu)在每層容易發(fā)生剛度和內(nèi)力的變化，這個部位形成薄弱部位，不利于抗震的要求。實際工程中必須要采用高布置時，設(shè)計中要綜合彎曲、剪切和軸向的整體剛度，這樣可以減少內(nèi)力突變。第三，設(shè)計中要盡量減少豎向構(gòu)件。貫穿落地的豎向構(gòu)件越多，那么轉(zhuǎn)換層設(shè)計就越來越少，而且這種結(jié)構(gòu)可以很好的滿足抗震的要求。

2、不同形式轉(zhuǎn)換層設(shè)計要點

2.1 轉(zhuǎn)換梁設(shè)計。轉(zhuǎn)換梁的結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)換梁的形式方向可以分為托墻和托柱兩種。轉(zhuǎn)換梁在承受上層普通框架時，轉(zhuǎn)換梁要保持在規(guī)定的截面尺寸內(nèi)，轉(zhuǎn)換梁的受力情況和普通梁基本保持一致，此時可以按照普通梁的截面設(shè)計方案進行施工。轉(zhuǎn)換梁在整垮上是否開洞，都承載上面墻體，并與之共同工作，其受力特點和破壞形式表示為深梁形式，此時就采用深梁的截面設(shè)計方案。當(dāng)滿跨不開洞時，縱向鋼筋就要沿整個的梁高均勻布置，當(dāng)滿跨且開洞或者不滿跨但剪力墻較長時，縱向鋼筋要沿梁的下部均勻布置，轉(zhuǎn)換梁此此時存在很大的內(nèi)力，所以底部的縱向鋼筋應(yīng)該全部延伸到支座中，不應(yīng)截斷。梁式轉(zhuǎn)換層形式的傳力方式是由墻體傳給梁、柱，力的傳遞方向清晰，有利于力的計算和工程的分析設(shè)計，節(jié)省造價，因此該結(jié)構(gòu)是在實際的工程中最常見的形式，應(yīng)用很廣泛。

2.2 框支柱設(shè)計。框支柱承受的地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按下列規(guī)定采用：框支柱的數(shù)目多于10根時，當(dāng)框支層為1-2層時，每層每根柱承受的剪力之和應(yīng)取基底剪力的20%；當(dāng)框支層為3層及3層以上時，每層框支柱承受剪力之和應(yīng)取基底剪力的30%；框支柱剪力調(diào)整后，應(yīng)相應(yīng)調(diào)整框支柱的彎矩及柱端梁的剪力、彎矩，框支柱軸力可不調(diào)整；而當(dāng)框支柱的數(shù)目不多于10根時，當(dāng)框支層為1-2層時，每層第根柱承受的剪力應(yīng)至少取基底剪力的2%；當(dāng)框支層為3層及3層以上時，各層每根柱所受的剪力應(yīng)至少取基底剪力的3%。

2.3 桁架式轉(zhuǎn)換層設(shè)計。桁架式轉(zhuǎn)換層形式的優(yōu)點是受力清晰，自重相對較小，抗震性能強，管道安裝和后期維護程序簡單，但是這種形式施工的難度較大。桁架式轉(zhuǎn)換層形式的承重結(jié)構(gòu)是由多個鋼筋混凝土桁架構(gòu)成，桁架的桿分別設(shè)置在上下樓層面的結(jié)構(gòu)層內(nèi)，每層之間又設(shè)置了腹桿。桁架有空腹和實腹兩種，材質(zhì)可以是鋼的或者鋼筋混凝土的，后者在實際的高層結(jié)構(gòu)中是比較常用的，桁架式轉(zhuǎn)換層的設(shè)計以滿足斜腹桿和節(jié)點的設(shè)計為要點，節(jié)點受力比較復(fù)雜，由于力的作用，容易發(fā)生剪力破壞的情況，此形式一般要求高度達到3m以上，否則斜壓桿成為短柱，在高強度的作用下發(fā)生脆性破壞。

3、建筑高層轉(zhuǎn)換層設(shè)計注意事項

3.1 轉(zhuǎn)換層位置宜低不宜高。由于高層建筑結(jié)構(gòu)豎向剛度存在一定程度的突變，且轉(zhuǎn)換層上下附近的剛度、內(nèi)力和傳力途徑都會發(fā)生突變，并且轉(zhuǎn)換層通常剛度大、自重大，在其附近的樓層極易屈服，形成薄弱層，對抗震不利。另外，高位轉(zhuǎn)換框支剪力墻結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層下部落地剪力墻易產(chǎn)生裂縫，使得轉(zhuǎn)換層下部剛度減小，導(dǎo)致框支柱產(chǎn)生裂縫；并且由于轉(zhuǎn)換層的剛度大使得轉(zhuǎn)換層上層相當(dāng)于固結(jié)底層，從而使轉(zhuǎn)換層上層的剪力墻內(nèi)力增大易產(chǎn)生破壞，因此，設(shè)置轉(zhuǎn)換層應(yīng)堅持轉(zhuǎn)換層位置宜低不宜高。底部大空間部分框支剪力墻高層建筑結(jié)構(gòu)在地面以上的空間層數(shù)8 度時不宜超過 3 層，7度時不宜超過 5 層，6 度時其層數(shù)可適當(dāng)增加；底部帶轉(zhuǎn)換層的框架核心筒結(jié)構(gòu)和外筒為密柱框架的筒中筒結(jié)構(gòu)，其轉(zhuǎn)換層位置可適當(dāng)提高。

3.2 上下軸網(wǎng)部份對齊。為避免采用厚板式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，盡可能采用梁板式或其他形式的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，其必要條件就是上下軸網(wǎng)部份對齊，軸網(wǎng)對齊的比例越高，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計就越簡單容易，結(jié)構(gòu)受力更明確，經(jīng)濟效果更好，這方面有賴于結(jié)構(gòu)與建筑方案的密切配合和協(xié)調(diào)。如果結(jié)構(gòu)上部、下部的軸網(wǎng)全部錯位，則轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)可能只得采用厚板式，厚板式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)是所有轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)中缺點最多的一種形式，不僅受力不好，設(shè)計難度高，施工困難，而且極不經(jīng)濟。

4、結(jié)語

總之，在高層建筑轉(zhuǎn)換層的施工過程中，由于構(gòu)件的復(fù)雜性和受力的多向性，使得對構(gòu)件的支持系統(tǒng)要求很高，因此在施工過程中要嚴(yán)格控制質(zhì)量，確保鋼筋綁扎過程中的骨架穩(wěn)定性，以保證建筑質(zhì)量。

參考文獻：

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[2] 王春偉，高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計中的問題分析[J]，黑龍江科技信息，2011（23）