基于高層轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的探討

基于高層轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的探討

白瑞白麗娟

摘要：文章主要分析了高層建筑中轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的幾種常用做法以及轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)在高層建筑中的布置原則，探討高層建筑中轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和發(fā)展的趨勢，提出高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中經(jīng)常注意的一些問題。關(guān)鍵詞：高層建筑；轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；1引言

由于轉(zhuǎn)換層質(zhì)量及剛度集中，給結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析帶來不利影響，使轉(zhuǎn)換層處地震力集中，上下層內(nèi)力集中，層位移增大，轉(zhuǎn)換層從力學(xué)分析來看，有相當(dāng)難度，這是目前高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最關(guān)心的熱點(diǎn)。現(xiàn)代高層建筑的趨勢是向多功能、綜合多用途發(fā)展，在同一豎直線上頂部樓層布置住宅、旅館，中部樓層作為辦公室，下部樓層作為商場、餐飲文化娛樂室。為了滿足建筑功能上的要求，上部需要小開間的軸線布置，需要較多的墻體，以滿足旅館及住宅的要求；中部辦公室需要較小或中等大小的開間，可以在柱網(wǎng)中布置一定數(shù)量的墻體來實(shí)現(xiàn)；下部則希望有盡可能大的空間，柱網(wǎng)要大墻體要盡量少。由此可見，這種布置上部剛度大下部剛度小，與高層建筑結(jié)構(gòu)合理布置有矛盾為了解決這種矛盾，必須在高層建筑結(jié)構(gòu)變化處設(shè)置轉(zhuǎn)換層，以保證結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)合理及安全可靠。2轉(zhuǎn)換層的定義和類型

因建筑物功能的需要，上部需要小開間的軸線布置，需要較多的墻體；下部則希望有盡可能大的空間，柱網(wǎng)要大，墻體要盡量少。因而，上部部分豎向桿件不能直接連續(xù)貫通落地。而通過水平轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與下部豎向桿件連接，這樣構(gòu)成的高層建筑稱為帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)。

(1)上、下層結(jié)構(gòu)類型的改變

該結(jié)構(gòu)形式是目前高層建筑中實(shí)現(xiàn)垂直轉(zhuǎn)換最常用的結(jié)構(gòu)形式，由于其傳力途徑采用墻(柱)轉(zhuǎn)換梁柱(墻)的形式，具有傳力直接、明確和清楚的優(yōu)點(diǎn)，便于工程計(jì)算、分析和設(shè)置轉(zhuǎn)換層將上部剪力墻轉(zhuǎn)換為下部的框架。這種轉(zhuǎn)換層多用于剪力墻和框架一剪力墻結(jié)構(gòu)中，以獲得較大的內(nèi)部自由空間。

(2)上、下層結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)和軸線的改變

轉(zhuǎn)換層上、下的結(jié)構(gòu)形式未改變，通過轉(zhuǎn)換層能使下部結(jié)構(gòu)的柱距擴(kuò)大，形成大柱網(wǎng)。這種形式常用于外框筒的下層以形成較大的出人口。

(3)同時(shí)改變上、下層結(jié)構(gòu)類型和柱網(wǎng)

上部剪力墻結(jié)構(gòu)通過轉(zhuǎn)換層改變?yōu)榭蛑Ъ袅�墻結(jié)構(gòu)的同時(shí)，下部柱網(wǎng)與上部剪力墻的軸線錯(cuò)開，形成上、下柱網(wǎng)不對齊的布置。3轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

高層建筑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)一般可分為4種基本結(jié)構(gòu)形式，即：梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)(包括托梁和雙向梁格)、桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)(包括空腹桁架)、箱型轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)、厚板轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。

3.1梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

梁式轉(zhuǎn)換計(jì)，且造價(jià)較節(jié)省。所以梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中應(yīng)用較廣。實(shí)際工程中轉(zhuǎn)換梁的結(jié)構(gòu)形式有多種多樣，從一轉(zhuǎn)換梁功能上，可分為托墻和托柱；從轉(zhuǎn)換梁形式上，可分為加腋和不加腋；從轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)采用材料上，又可分為鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土、鋼骨混凝土和鋼結(jié)構(gòu)等。轉(zhuǎn)換梁主要承受豎向荷載，受力特征主要表現(xiàn)為在豎向荷載作用下的受力規(guī)律為研究上部墻體對轉(zhuǎn)換梁受力特征的影響，采用有限元分析程序?qū)Σ煌�結(jié)構(gòu)形式轉(zhuǎn)換梁的受力特征進(jìn)行分析。根據(jù)一些工程實(shí)例的計(jì)算結(jié)果分析可見，計(jì)算模型的選取與轉(zhuǎn)換梁的跨度有關(guān)。當(dāng)轉(zhuǎn)換梁的跨度較大時(shí)，上部墻體的層數(shù)考慮取多些當(dāng)轉(zhuǎn)換梁的跨度較小時(shí)，上部墻體的層數(shù)可適當(dāng)取少些。實(shí)際工程中轉(zhuǎn)換梁的常用跨度為612m而高層建筑結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層常用層高為2.8～3.2m。在此跨度和層高范圍內(nèi)，對上部托墻形式的梁式轉(zhuǎn)換層，轉(zhuǎn)換梁內(nèi)力有限元分析取其上部墻體3～4層，視這部分墻體連同轉(zhuǎn)換梁組成的倒T型深梁與下部一層結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力分析，計(jì)算精度滿足設(shè)計(jì)要求。

3.1.1托柱形式轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計(jì)

當(dāng)轉(zhuǎn)換梁承托上部普通框架時(shí)，在轉(zhuǎn)換梁常用截面尺寸范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)換梁的受力基本和普通梁相同，可按普通梁截面設(shè)計(jì)方法進(jìn)行配筋計(jì)算；當(dāng)轉(zhuǎn)換梁承托上部斜桿框架時(shí)，轉(zhuǎn)換梁將承受軸向拉力，此時(shí)應(yīng)按偏心受拉構(gòu)件進(jìn)行截面設(shè)計(jì)。3.1.2托墻形式轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計(jì)

當(dāng)轉(zhuǎn)換梁承托上部墻體滿跨不開洞時(shí)，轉(zhuǎn)換梁與上部墻體共同工作，其受力特征與破壞形態(tài)表現(xiàn)為深梁，此時(shí)轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計(jì)方法宜采用深梁截面設(shè)計(jì)方法或應(yīng)力截面設(shè)計(jì)方法，且計(jì)算的縱向鋼筋應(yīng)沿全梁高適當(dāng)分布配置。由于此時(shí)轉(zhuǎn)換梁跨中較大范圍內(nèi)的內(nèi)力比較大，故底部縱向鋼筋不宜截?cái)嗪蛷澠�，�?yīng)全部伸人支座。當(dāng)轉(zhuǎn)換梁承托上部墻體滿跨且開較多門窗洞或不滿跨但剪力墻的長度較大時(shí)，轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計(jì)方法也宜采用深梁截面設(shè)計(jì)方法或應(yīng)力截面設(shè)計(jì)方法，縱向鋼筋的布置則沿梁下部適當(dāng)分布配置，且底部縱向鋼筋不宜截?cái)嗪蛷澠�，�?yīng)全部伸入支座。當(dāng)轉(zhuǎn)換梁承托上部墻體為小墻肢時(shí)，轉(zhuǎn)換梁基本上可按普通梁的截面設(shè)計(jì)方法進(jìn)行配筋計(jì)算，縱向鋼筋可按普通梁集中布置在轉(zhuǎn)換梁的底部。轉(zhuǎn)換梁的結(jié)構(gòu)形式有很多種，目前高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的實(shí)際工程應(yīng)用也很多。一般而言，高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的分析必須按施工模擬，使用各階段及施工實(shí)際支撐情況分別進(jìn)行計(jì)算，以反映結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的真實(shí)情況。施工過程中的力學(xué)問題應(yīng)引起設(shè)計(jì)人員和施工人員的高度重視。3.2桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

桁架式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)是由梁式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層變化而來的整個(gè)轉(zhuǎn)換層由多榀鋼筋混凝土桁架組成承重結(jié)構(gòu)，桁架的上下弦桿分別設(shè)在轉(zhuǎn)換層的上下樓面的結(jié)構(gòu)層內(nèi)，層間設(shè)有腹桿。由于桁架高度較高所以下弦桿的截面尺寸相對較小。桁架分為空腹桁架和實(shí)腹桁架2種，它可以是鋼桁架，也可以是鋼筋混凝土桁架，在鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)中常用鋼筋混凝土桁架。與梁式轉(zhuǎn)換層相比，它的整體性好，受力性更加明確，自重較小而抗震性能好，而且便于管道的安裝與維護(hù)等，但在施工上比較復(fù)雜，在設(shè)計(jì)上表現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)難度較大�！皬�(qiáng)斜腹桿，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”是桁架轉(zhuǎn)換層的基本設(shè)計(jì)原則，而節(jié)點(diǎn)的受力復(fù)雜，容易發(fā)生剪切破壞，造成配筋過多。桁架轉(zhuǎn)換式通常要求高度在3m以上，否則斜壓桿件易形成超短柱，地震作用下容易產(chǎn)生脆性破壞。

桁架式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)可以采用ANSYS和TAT來進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析，除應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)整體的位移、變形、抗傾覆、周期等要求外，還應(yīng)滿足(JGJ3201*){高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中附錄E中規(guī)定的轉(zhuǎn)換層上下結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比的要求。相對其他結(jié)構(gòu)形式轉(zhuǎn)換層而言，桁架轉(zhuǎn)換層比梁式轉(zhuǎn)換層和厚轉(zhuǎn)換層在受力上更加合理，在轉(zhuǎn)換層位置受到的剪力和彎矩就比較小，有利于構(gòu)件截面尺寸的控制，不會(huì)造成很大的剛度集中在地震作用下，不會(huì)造成應(yīng)力的集中，有利于結(jié)構(gòu)抗震。其次在桁架轉(zhuǎn)換層上部的結(jié)構(gòu)所受到的剪力和彎矩相對其他的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)來說也較小，其受力受下部轉(zhuǎn)換層的影響較小，比較合理。由于桁架轉(zhuǎn)換層的重量相對其他轉(zhuǎn)換層的重量要小，從而減小了下部框架柱的抗壓負(fù)荷。3.3箱型轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)形式即單向托梁、雙向托梁連同上下層較厚的樓板共同工作，可以形成剛度很大的箱形轉(zhuǎn)換層。它的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換層本身的整體性很好，當(dāng)轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)布置較復(fù)雜時(shí)，仍能夠保證上下豎向構(gòu)件的有效傳力。但從建筑上來看，它直接占用了整個(gè)樓層的使用面積，使得該樓層通常只能作為設(shè)備層使用。同時(shí)，轉(zhuǎn)換層內(nèi)部的剪力墻與設(shè)備布置、管線布置常常發(fā)生沖突。其缺點(diǎn)是自重大、造價(jià)高等。從結(jié)構(gòu)分析角度考慮，其內(nèi)力分析復(fù)雜、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工難度都較大，因此在實(shí)際工程中應(yīng)用較少。3.4厚板轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)形式用于當(dāng)上、下柱網(wǎng)軸線錯(cuò)開較多難以用梁直接承托時(shí)，則需要做成厚板，形成板式承臺式轉(zhuǎn)換層。板式轉(zhuǎn)換層的下層柱網(wǎng)可以靈活布置、無須與下層結(jié)構(gòu)對齊。但有如下缺點(diǎn)：自重很大，材料耗用較多。厚板式轉(zhuǎn)換層的剛度很大，可以視為剛性轉(zhuǎn)換層。板式轉(zhuǎn)換層一方面給上部結(jié)構(gòu)的布置帶來方便，另一方面也使板的傳力變得不清楚，因而受力也非常模糊，結(jié)構(gòu)計(jì)算相對困難，采用有限元計(jì)算時(shí)計(jì)算結(jié)果繁雜，給配筋設(shè)計(jì)帶來不便。另外從受力角度考慮，往往需要在柱與柱、柱與墻之間配筋加強(qiáng)，相當(dāng)于設(shè)置暗梁，增加配筋量。從抗剪和抗沖切的角度考慮，轉(zhuǎn)換板的厚度往往很大，這樣的厚板一方面自重很大，增加了對下部垂直構(gòu)件的承載力的設(shè)計(jì)要求；另一方面，本層的混凝土用量也很大，不經(jīng)濟(jì)。厚板集中了很大的剛度和質(zhì)量，在地震作用下，地震反應(yīng)強(qiáng)烈，不僅板本身受力很大，而且由于沿豎向剛度突然變化，相鄰上下層受到很大的作用力，容易發(fā)生震害。以往的模型震動(dòng)臺試驗(yàn)研究表明，厚板的上下相鄰層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯的裂縫和混凝土剝落。另外，試驗(yàn)還表明，在豎向荷載和地震力共同作用下，板不僅發(fā)生沖切破壞，還可能產(chǎn)生剪切破壞板內(nèi)必須三向配筋。

下面就介紹厚板轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)方法：

帶厚板轉(zhuǎn)換層的高層建筑可采用三維空間分析程序(如TBSA，SATWE，TAT等)進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析。厚板的內(nèi)力分析：轉(zhuǎn)換板邊界形狀不規(guī)則，荷載分布和支撐條件較為復(fù)雜，一般需采用有限單元法進(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力分析�？刹捎肞KPM系列軟件中復(fù)雜樓板有限元分析軟件計(jì)算。該程序有良好的前后處理功能，能自動(dòng)地從整體分析程序中取出內(nèi)力作為荷載，自動(dòng)劃分網(wǎng)格和編號，計(jì)算應(yīng)力后可自動(dòng)進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算、內(nèi)力組合、配筋計(jì)算�？梢赃M(jìn)行板在豎向荷載作用下的受彎、受剪受沖切和局部受壓的計(jì)算，可以計(jì)算板在水平方向面內(nèi)的剪力與彎矩。4結(jié)語

由于帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論方法還不完善，因此在進(jìn)行帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意以下幾個(gè)問題：

(1)轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)不應(yīng)成為薄弱層，避免樓層承載力突變。

(2)應(yīng)使轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度接近下部結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，不發(fā)生轉(zhuǎn)換層上、下剛度突變。

(3)若底部轉(zhuǎn)換層位置越高，則轉(zhuǎn)換層上、下剛度突變越大，轉(zhuǎn)換層上、下內(nèi)力傳遞途徑的突變加��；若轉(zhuǎn)換層位置越高，則落地剪力墻或墻體容易出現(xiàn)受彎裂縫，從而使框支柱的內(nèi)力增大，轉(zhuǎn)換層上部附近的墻體易破壞；若轉(zhuǎn)換層位置越高，則對結(jié)構(gòu)抗震不利。參考文獻(xiàn)

[1]秦榮．高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)[M]．北京：科學(xué)出版社．201*．

[2]唐興榮．高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999．

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高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的探討

摘要：隨著我國建筑建設(shè)技術(shù)水平的不斷提升，高層建筑成為了當(dāng)前建筑建設(shè)的主要對象，而設(shè)計(jì)人員在當(dāng)前對高層建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，開始面臨越來越多的轉(zhuǎn)換層的問題。轉(zhuǎn)換層的存在，加大了高層建筑空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)人員必須立足于轉(zhuǎn)換層的具體特點(diǎn)，實(shí)施針對性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，才能避免建筑建設(shè)問題的呈現(xiàn)。本文便是以高層建筑中的轉(zhuǎn)換層為主題，通過探討其轉(zhuǎn)換層的相關(guān)含義、類型、設(shè)計(jì)原則等，著重討論了優(yōu)化其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)策略。

關(guān)鍵詞：高層建筑；轉(zhuǎn)換層；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；優(yōu)化策略中圖分類號：[tu208.3]文獻(xiàn)標(biāo)識碼：a文章編號：

近年來，高層建筑建設(shè)在城市中的發(fā)展勢頭日益強(qiáng)盛，人們對于高層建筑的功能要求也逐漸地趨于多樣化，辦公樓層、商店、居民區(qū)等混雜在統(tǒng)一棟樓上，這就為不同樓層的空間結(jié)構(gòu)提出了不同的需求，設(shè)計(jì)人員必須為建筑加設(shè)轉(zhuǎn)換層方能同時(shí)滿足各部門使用群體的要求。而轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，非常容易出現(xiàn)質(zhì)量問題，因此，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，必須充分把握轉(zhuǎn)換層的類型與特點(diǎn)，以采取適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式，充分注重設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)與難點(diǎn)，以推動(dòng)其設(shè)計(jì)目標(biāo)的達(dá)成。

一、高層建筑中轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)相關(guān)問題概述1、含義高層建筑結(jié)構(gòu)具有上部樓層受力小而上部樓層受力大的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員普遍會(huì)提高下部結(jié)構(gòu)的剛度以及墻、梁、柱等的數(shù)量，并在樓層逐漸升高的過程中，減少設(shè)計(jì)中的墻、柱結(jié)構(gòu)應(yīng)用，繼而使建筑形成穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)支撐柱網(wǎng)，這就決定高層建筑的下部結(jié)構(gòu)空間要大于上部結(jié)構(gòu)的空間，此種設(shè)計(jì)與常規(guī)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案恰好相反，設(shè)計(jì)人員必須在空間結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的樓層加設(shè)水平的轉(zhuǎn)換構(gòu)件，才能保證設(shè)計(jì)目標(biāo)的達(dá)成，此種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)即為高層建筑的轉(zhuǎn)換層。2、形式

目前，高層建筑中轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)，主要采取箱、梁、板、柱、桁架、框架這幾種結(jié)構(gòu)形式，各種結(jié)構(gòu)形式在設(shè)計(jì)中存在著顯著的差別，這些差別便是設(shè)計(jì)者在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須遵從的前提與依據(jù)。本文下面就對箱、梁、板以及框架幾種結(jié)構(gòu)加以分析：1）梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)（如下圖一所示托梁與雙向梁）常用于垂直轉(zhuǎn)換施工，它以上部墻到轉(zhuǎn)換梁再到下部柱的途徑傳遞受力，傳遞路徑直接順暢，便于進(jìn)行受力計(jì)算以及工程分析，高度大致為0.8m-6.0m，造價(jià)比較低。箱式結(jié)構(gòu)（如下圖二所示）是在單項(xiàng)和雙向的托梁配合的基礎(chǔ)上，再與上層和下層樓板共同澆筑而成結(jié)構(gòu)，具有較高的剛度。圖一圖二

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