建筑轉換層結構設計方案的研究

賈志鵬

摘 要：本文首先闡述和分析了建筑轉換層結構設計原則以及相關技術標準，然后結合實際案例，從結構類型選擇、轉換層結構布置、計算分析結構等方面對轉換層結構的布置進行了闡述。

關鍵詞：建筑工程；轉換層結構；設計方案

中圖分類號：TU97 文獻標識碼：A

在建筑設計領域中，轉換結構的應用越來越廣泛，特別是在有不同功能劃分的建筑中。而轉換層受力復雜，又承擔上部結構的荷載，因此，轉換層的結構方案布置對結構整體的安全性尤為重要。

一、建筑轉換層結構設計原則以及相關技術標準

進行建筑轉換層結構設計時，應當注重結構計算的合理性，從全局角度出發，提高最終結果的準確性。實踐期間，通常是根據受力變形情況建立求解模型，全面研究三維空間架構特征，完成計算工作。轉換結構屬于綜合結構不可或缺的環節之一，考慮到結果的精確度，我們可以選擇有限元法分級求解。具體實施階段，不但要重視模型中的結構層數量（兩層及以上），而且需要確保其邊界條件和真實情況完全匹配。計算綜合結構的過程中，需要通過兩種或以上的力學模型確認抗震性能，而針對彈性時程的求解，應當選擇彈塑性時程進行處理。高位轉換期間，必須根據重力荷載環境完成結構的計算。

轉換層屬于高層建筑結構的重要組成，所以有關其內力分析，必須從全局出發對結構進行研究與探討。而在綜合內力以及位移求解方面，可以選擇兩種不同的算法進行處理，即三維空間與空間關系協作分析法，以上算法的優勢如下：綜合計算過程中，將轉換構件理解成其中的一個環節進行計算。然而，由于轉換層結構豎向剛度并非均衡狀態，豎向部署容易發生明顯改變，因此在結構部署上，必須遵循概念設計與力學概念進行處理，同時依靠過去的經驗與實踐成功案例，全面分析后為結構部署冗余桿件與加強點。一般來講，高層建筑含有轉換層的情況中，我們可以借助三維分析、平面有限元等程序完成計算工作。此處需要強調一點，轉換大梁在其中尤為關鍵，必須成為設計的重點關注對象。對于工程設計而言，我們需要借助建研院提供的TBSA，TAT等軟件進行大梁的分析設計，而計算上則可以將其理解成桿件，完成結構整體分析，根據上層結構作用至轉換層的荷載，基于有限元法進行轉換層與鄰近平面的研究，最終確定配筋狀況。

二、建筑轉換層結構設計方案實例分析

某高層建筑工程，裙樓為商業用房，塔樓為住宅。由于根據其用途特性實現空間搭配，主要表現在主體中間環節，也就是電梯間、樓道等公用環節，可采用落地剪力墻核心筒進行處理，而其他環節應當選擇合適的結構模式。遵照以上設計理念，二層頂應當選擇結構轉換模式，最終得到我們需要的結構類型。轉換層上下樓層的結構布置如圖1、圖2。

3.1 結構類型選擇

結構轉換層方面，工程設計期間應當基于需求選擇相匹配的類型，而本工程中，若是選擇厚板轉換層，因本項目處于7度設防區，轉換層又位于地上三層，根據《高規》10.2.4條之規定，7度設防時，厚板轉換僅在轉換層位于地下室時方可采用。且轉換厚板造價高，施工困難，受力狀態較為復雜，傳力途徑不明確，使得建筑物在轉換層處出現剛度的突變，使得轉換層產生的內應力較大，不適用于多震地區。但是選擇箱形轉換時，便可以消除以上不足，這種轉換方式可以保證結構的完整性，上、下豎向構件與上層結構部署沒有直接關聯。但是其內力分析過程煩瑣，轉換層施工有一定難度，施工較為困難且造價過高。因此選擇梁式轉換層結構設計方案更為合理。

3.2 轉換層結構布置

在本項目中豎向轉換構件的布置有以下特點：（1）在建筑四周轉換柱兩側布置短肢剪力墻，中部設置與上部結構剪力墻貫通的核心筒作為主抗側力構件。建筑四周轉換柱兩側布置剪力墻的目的有兩個：一是提高剪力墻承擔的地震剪力的比例；二是提高結構整體抗扭轉的能力。并且有利于減小框支柱的軸力，控制框支柱軸壓比≤0.6。（2）落地墻厚度設為600，控制轉換層上部與下部結構的等效剛度比不大于1.3，并盡量接近1.0。

轉換梁的布置應該傳力直接明確，盡量避免采用二次轉換，但在此工程中，上部空間劃分為住宅空間，因此為滿足設計要求，就需要設置置轉換主梁和次梁，并且為滿足建筑功能要求，加設了部分短肢剪力墻。轉換梁的布置需特別注意以下兩點：

在上部墻肢或者轉換次梁靠近轉換柱較近時，轉換梁端部會產生較大剪力；

上部剪力墻不能居轉換梁中線布置時，轉換梁也會產生很大扭矩；

問題（1）可通過梁加腋（包括水平或豎向加腋），或局部加大梁截面的方式處理；問題（2）可通過增加次梁、增加轉換梁寬度、水平加腋等方式解決。

3.3 計算分析結構

在對建筑結構計算分析時，其計算選擇的合理性直接影響到計算結果準確性及可靠性。在此工程中選用的就是以墻元模型模擬剪力墻的SATWE空間有限元軟件。根據經驗初步選定轉換梁截面，用SATWE進行結構整體計算，得到轉換梁所受設計剪力后，按照該值不大于0.15fcbh/0.85校核截面尺寸。對轉換梁不僅有強度要求，也有剛度要求。本工程轉換層的層高為5.8m，轉換梁的最大凈跨度為7.5m，大梁截面尺寸為800mm×1800mm，1000mm×2000mm，1200mm×2200mm。梁寬度不小于上部墻體厚度（200mm），梁高度大于梁跨度的1/6，均滿足要求。根據軸壓比確定框支柱主要截面尺寸：1000mm×1000mm，1200mm×1200mm。

根據SATWE的計算結果，并采用FEQ進行有限元對轉換構件進行分析復核。

結語

總而言之，建筑工程設計行業是推動我國現代化建設至關重要的產業類型，在建筑工程中，結構設計方案的分析與優化對建筑結構整體的結構性能與建設成本的控制有著重要的意義。轉換層是上下不同結構體系的銜接部位，剛度突變、應力集中，因此在結構設計時首先對轉換層結構方案進行深入分析與研究對結構安全有著重要作用。

參考文獻

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