帶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘要：建筑行業(yè)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展對(duì)帶有結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生了很大的積極影響，為了更好的改變樓層的建筑功能，通常對(duì)于垂直結(jié)構(gòu)樣式或柱網(wǎng)格、軸或甚至兩者都需要進(jìn)行改變。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層;高層建筑;設(shè)計(jì);施工進(jìn)度;空間結(jié)構(gòu)

社會(huì)的不斷進(jìn)步為改善人們的生活環(huán)境質(zhì)量提供了可靠的保證，高層建筑結(jié)構(gòu)的下層比上層承受更大的力，因此結(jié)構(gòu)布局下方的剛度通常較高，并且具有更多的墻體。但是，布局和建筑功能能夠滿足空間的基本要求不同，因此，為了確保能夠更好的使用建筑功能，對(duì)于水平轉(zhuǎn)換的構(gòu)件需要布置在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層上。下文主要介紹了結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的常見(jiàn)類型和受力機(jī)理，包括高層轉(zhuǎn)換層的布局和設(shè)計(jì)原理以及帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑的抗震性能，還有新的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，從而解決轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的不同問(wèn)題。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的相關(guān)內(nèi)容

1.1 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的作用

通常，高層建筑的較高樓層的壓力較小，而較低和中層的壓力較高。同時(shí)，每一層的受力情況都是不同的，所以，設(shè)計(jì)人員在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中一定要采取措施，最大程度上提高高層建筑下部結(jié)構(gòu)的剛度，柱等結(jié)構(gòu)效果，以保證此類建筑物在實(shí)際使用中的質(zhì)量和可靠性。

1.2 主要類型的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層

高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層主要有兩種類型存在，（1）板結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。由于高層建筑上下兩層之間存在很多柱網(wǎng)，因此有必要依靠平板結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的作用來(lái)確保層之間力的均勻性。板結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中需要滿足抗剪性的特定要求，并且板狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的最大厚度不應(yīng)超過(guò)2.8m。同時(shí)，板結(jié)構(gòu)的柔韌性比較突出，但其自重較大，需要很多輔助材料。（2）梁類型轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。在高層建筑的垂直轉(zhuǎn)換施工過(guò)程中，需要依靠梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)來(lái)完成相關(guān)的操作。這種傳輸結(jié)構(gòu)更為常見(jiàn)，它能夠在高層建筑的不同樓層之間傳遞力，并確保高層建筑整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層類型的選擇

轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)形式通?？梢苑譃槿N基本類型：梁型，板型和箱型。箱型和板型過(guò)渡層的應(yīng)力相對(duì)復(fù)雜，該設(shè)計(jì)只能在使用三維空間計(jì)算程序執(zhí)行整體力分析并且使用有限元方法執(zhí)行局部分析之后才能執(zhí)行。同時(shí)，箱式和板式轉(zhuǎn)換層的混凝土消耗量非常大，成本也很高。另一方面，梁型轉(zhuǎn)換層具有簡(jiǎn)單的作用力，施工十分便捷，混凝土用量少，成本低，因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)的存在最終被高層建筑轉(zhuǎn)換層廣泛的使用。

3 具有結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的高層建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題

各種類型的高層建筑在特定的設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮很多問(wèn)題，主要是確保不影響整個(gè)施工的進(jìn)度。其中，在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的高層建筑設(shè)計(jì)中存在一些需要高度注意的常見(jiàn)問(wèn)題：

首先，確保大空間層具有一定的剛度，并且對(duì)轉(zhuǎn)換層的上下結(jié)構(gòu)的橫向剛度比進(jìn)行良好的控制，同時(shí)將等效橫向剛度控制在1.0-1.3之間。其次，為了消除外力對(duì)框支剪力墻的影響，十分必要增加剪力墻的豎向構(gòu)件的加固率。第三，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的位移角度對(duì)高層建筑的整體結(jié)構(gòu)造成了很大的影響，所以必須采用可靠的技術(shù)手段對(duì)位移角度進(jìn)行控制，以確保高層建筑基礎(chǔ)上的重力載荷滿足一定的抗震要求。最后，為了增強(qiáng)弱層的抗壓能力，有必要加強(qiáng)厚度約220mm的現(xiàn)澆混凝土層，并在相鄰層之間設(shè)置厚度約150mm的層，結(jié)構(gòu)布置相應(yīng)對(duì)稱，薄弱層的厚度和加固應(yīng)予以加強(qiáng)。

4 高層建筑結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)優(yōu)化策略

4.1 減小過(guò)渡層垂直結(jié)構(gòu)的剛度差異

在具有結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的高層建筑物的實(shí)際使用中，轉(zhuǎn)換層的垂直結(jié)構(gòu)的剛度突然改變，這嚴(yán)重影響著結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的安全問(wèn)題。所以，在高層建筑過(guò)渡層的設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)者應(yīng)減少過(guò)渡層雙向結(jié)構(gòu)的差異，對(duì)于上下過(guò)渡層的剛度之間的差異進(jìn)行良好的控制，適當(dāng)增加層厚度，并在相關(guān)結(jié)構(gòu)中設(shè)置安全系數(shù)的補(bǔ)償剪切力，以確保某些高層建筑結(jié)構(gòu)的空間剛度。

4.2 充分考慮不同層應(yīng)力條件對(duì)千轉(zhuǎn)換層的影響

高層建筑結(jié)構(gòu)的過(guò)渡層具有特殊性，為了更好的確保高層建筑整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)人員一定要掌握梁跨部位支撐件正、負(fù)彎矩速度的變化主要規(guī)律，以確保梁的合理性。設(shè)計(jì)人員還可以將梁部位下端的鋼筋設(shè)計(jì)為完全埋入的結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到減少鋼筋彎曲的影響并提高結(jié)構(gòu)過(guò)渡層的安全性能的效果。

4.3 合理布置剪力墻

高層建筑的轉(zhuǎn)換層對(duì)千剪力墻的合理布局具備一定要求，主要是強(qiáng)調(diào)轉(zhuǎn)換層作為整體結(jié)構(gòu)的作用。通常，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)時(shí)，剪力墻的框架柱之間的空間一定要保持均勻，并且兩者之間的距離應(yīng)控制在合理的范圍內(nèi)。

5 重疊后轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

5.1 設(shè)計(jì)原則

作為轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換柱具有混凝土消耗少，重量輕，建筑空間充分利用以及上下層的剛性低的優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)當(dāng)注意，重疊柱上方的樓板較弱，因此應(yīng)加強(qiáng)其剛度。

5.2 搭接轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的工作原理

通過(guò)重疊塊連接的地梁的承載力和軸向剛度的控制是重疊柱過(guò)渡結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性的保證。在層的承載力和剛度足夠大之后，需要控制好疊置柱的次級(jí)內(nèi)力和變形問(wèn)題，因此，關(guān)鍵在于控制疊置砌塊相連層的承載力和軸向剛度。

5.3 落地框架結(jié)構(gòu)的工作特性

作為主要的橫向抗力部件，芯管必須保證其承載能力，延展性和橫截面尺寸。當(dāng)緩凝粘土的強(qiáng)度等級(jí)從上到下變化，并且橫截面尺寸和匹配度發(fā)生變化時(shí)，這種變化將擴(kuò)展到搭接柱橫截面的上層，立柱過(guò)渡會(huì)對(duì)的局部剛度產(chǎn)生一定的影響，必須進(jìn)行弱化以確保整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗震能力不會(huì)有太大變化。

5.4 搭接接頭過(guò)渡結(jié)構(gòu)的計(jì)算與分析

計(jì)算和分析主要可以通過(guò)SATWE和PMSAP之類的軟件來(lái)執(zhí)行。

6 新的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

6.1 斜撐轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)包括清晰的力傳遞路徑，合理的接收方法以及比變化范圍小的剛性。因此，在水平地震的作用下，能夠大大減小層之間的剪切力的變化范圍和構(gòu)件的內(nèi)力。

6.2 寬光束轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)

其優(yōu)點(diǎn)是有利于建筑設(shè)備的使用，降低轉(zhuǎn)換層的高度，對(duì)建筑功能的使用影響較小，并且對(duì)轉(zhuǎn)換梁的應(yīng)力較大。根據(jù)建筑物功能的需要，選擇合適的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，能夠大大降低成本，更好地展現(xiàn)建筑物的美感。

7 結(jié)構(gòu)計(jì)算

框架支撐剪力墻結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析分為兩個(gè)步驟：首先，使用三維空間的方式對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的內(nèi)力分析，以獲得各個(gè)構(gòu)件的內(nèi)力和鋼筋;第二，對(duì)轉(zhuǎn)換梁（框架支撐梁）附近進(jìn)行詳細(xì)的平面有限元分析，從而獲得詳細(xì)的應(yīng)力分布，接著確定過(guò)渡梁（框架支撐梁）和附近墻壁的加固，根據(jù)平面有限元分析范圍選擇底部框架和框架支撐層上方的墻，對(duì)底部框架處支撐梁和柱的有限元進(jìn)行分配，在梁和柱的整個(gè)橫截面高度下將其分為五個(gè)相等的部分。

對(duì)于帶有轉(zhuǎn)換層的高層建筑，由于轉(zhuǎn)換層下層的空間要求大，一些垂直的側(cè)向阻力構(gòu)件是不連續(xù)的，并且側(cè)向剛度會(huì)突然改變，通常情況下小于轉(zhuǎn)換層上層的剛度。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要采取措施來(lái)減少剛度和承載力的改變，并確保滿足抵抗風(fēng)和地震設(shè)計(jì)的要求，底部具有轉(zhuǎn)換層的薄弱地板的地震剪切力應(yīng)乘以1.15的增加因子。

分析結(jié)果表明，框架梁在大多數(shù)情況下是偏心的受拉構(gòu)件，可以承受較大的剪切力。當(dāng)在框架支撐梁的壁上設(shè)置側(cè)孔時(shí)，形成小壁肢，該小壁肢的應(yīng)力集中特別顯著，并且在側(cè)門(mén)開(kāi)口處的框架支撐梁的應(yīng)力急劇增加。在水平載荷下，上部有邊門(mén)洞的框架梁的彎矩約為上部無(wú)邊門(mén)洞的框架梁的彎矩的3倍，剪力大概也是3倍。除了較小的墻壁外，還應(yīng)加強(qiáng)門(mén)洞部位框架梁的抗剪承載力，并應(yīng)加固箍筋。在此項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，應(yīng)通過(guò)在橫梁末端增加軸來(lái)提高抗剪能力，并應(yīng)加固箍筋。

8 結(jié)語(yǔ)：

過(guò)渡層結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，工程量也非常大。設(shè)計(jì)師需要把注意力放在概念設(shè)計(jì)上，這樣可以避免走彎路。其次，通過(guò)以上詳細(xì)的分析結(jié)果，能夠得知，針對(duì)一些建筑物在建筑物的布局中必須盡可能規(guī)則和對(duì)稱，減少偏心率，優(yōu)化和調(diào)整上下層的布局和剛度轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)使它們彼此靠近。同時(shí)，還需要注意框架梁和框架柱等組件的特殊性。最后，必須要仔細(xì)考慮施工過(guò)程中產(chǎn)生困難的因素。因此，在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能考慮施工的可行性，最終更好的實(shí)現(xiàn)最合理的設(shè)計(jì)。

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作者簡(jiǎn)介 ：林國(guó)雄（1986-），男，漢族，籍貫：廣西合浦人，工程師，主要從事建筑工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。