潘兵奇　趙曉明　孫超

【摘 要】 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，顧名思義就是對結(jié)構(gòu)起到轉(zhuǎn)換作用的樓層，它首先起到的作用就是對上下樓層的結(jié)構(gòu)進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換層能夠使上部剪力墻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蚣芙Y(jié)構(gòu)，錯開上部樓層軸線和柱網(wǎng)軸線，錯位布置上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)。滿足建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化的需求。本文對高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)布置及設(shè)計進行了分析和探討。

【關(guān)鍵詞】 高層；建筑；轉(zhuǎn)換層；設(shè)計

近年來，經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展大大推動了建筑的城市化進程，對建筑物功能的多樣性提出了較高的要求，建筑物的功能不再單一，而是日漸趨向于多樣化、功能化、全面化。比較常見的形式是上部是面積較小的公寓、住宅，下部是大空間的商場或大型的公共場所；從功能上看，高層建筑上部需要較多的墻體分隔來滿足住宅戶型的要求，建筑物下部則希望有盡可能大的自由靈活的空間，大柱網(wǎng)、少墻體來滿足公共場所的使用要求，按照這樣的原則進行結(jié)構(gòu)布置時，就會形成上部結(jié)構(gòu)墻體多而且密集，下部結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)稀少，從而造成上下剛度懸殊較大，上剛下柔，這與常規(guī)的結(jié)構(gòu)布置原則是恰恰相反的，所以規(guī)范對高層建筑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計特別提出了詳細的要求。高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式的選擇有以下幾種結(jié)構(gòu)形式：梁式轉(zhuǎn)換層，厚板式轉(zhuǎn)換層，桁架式轉(zhuǎn)換層。

1 高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式

1）梁式轉(zhuǎn)換層。梁式轉(zhuǎn)換層是目前高層建筑普遍采用的結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)高層建筑功能要求，轉(zhuǎn)換層如果可以保證較高的層高，就可以作為正常的樓層使用，若受層高限制或設(shè)備專業(yè)的要求，也可以作為專門的設(shè)備層使用。梁式轉(zhuǎn)換層是指在鋼筋混凝土樓板之上設(shè)置單向、雙向、斜向托梁，從而達到承托本層之中落空的上層承重柱或剪力墻的目的。如果設(shè)計要求需要橫向和縱向同時轉(zhuǎn)換，也可采用雙向梁的布置形式。而對于框筒結(jié)構(gòu)或筒中筒結(jié)構(gòu)，可以按照實際情況的需要在相應(yīng)的樓層當(dāng)中布置一圈轉(zhuǎn)換大梁，其目的就是通過轉(zhuǎn)換梁將上部墻體的荷載傳遞到下層兩邊的柱上去，從而保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。梁式轉(zhuǎn)換層的傳力途徑較為簡單、明確、明了，墻-梁-柱，所以目前它的應(yīng)用相對廣泛，基本都用于上部剪力墻、下部框架柱的高層建筑當(dāng)中。而且梁式轉(zhuǎn)換層的設(shè)計和施工都較為簡單。但是當(dāng)上下軸線錯位布置時，就需要增加較多的轉(zhuǎn)換柱和轉(zhuǎn)換梁，此時建筑物空間受力較為復(fù)雜，需要增加應(yīng)力分析。

2）厚板式轉(zhuǎn)換層。厚板式轉(zhuǎn)換層普遍用于上下柱網(wǎng)錯位較多的情況，此時難以用轉(zhuǎn)換柱和轉(zhuǎn)換梁承托，即可采用板式轉(zhuǎn)換層，厚板轉(zhuǎn)換層的厚度是根據(jù)柱網(wǎng)的尺寸和上部的荷載綜合確定。厚板轉(zhuǎn)換層中下部的結(jié)構(gòu)布置受上部結(jié)構(gòu)布置影響較小，同時由于厚板的剛度很大，類似于一個承臺，從而樓層的整體性很好。厚板轉(zhuǎn)換層的缺點就是自重大，產(chǎn)生的地震作用也大，建筑材料消耗較大，建筑的經(jīng)濟性無法保證。因此，此種結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工難度都非常大，在實際工程當(dāng)中的應(yīng)用比較少。

3）桁架式轉(zhuǎn)換層。在桁架的分類中，主要有空腹法和實腹法這兩種桁架轉(zhuǎn)換方式，桁架式轉(zhuǎn)換層的技術(shù)應(yīng)用原理主要是是借鑒于梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換原理，并加以改進，使其在受力上更為精準(zhǔn)、整體性更強、抗震性更高、框架支柱柱頂彎矩和剪力更加小一點的優(yōu)勢，然而同時它也有許多明顯的不足，例如技術(shù)施工較為困難、轉(zhuǎn)換層制作工序繁雜、節(jié)點設(shè)置較難等等。對其結(jié)構(gòu)進行整體性的內(nèi)部受力分析，在高層建筑低層是大型商業(yè)場所時，所需空間大，相反高層則需要單個的小型空間，這時就應(yīng)該能夠采用桁架式轉(zhuǎn)換層技術(shù)，其中尤其是在進行管道設(shè)置施工環(huán)節(jié)時，更需要使用這種方式，因為這種桁架式轉(zhuǎn)換層施工技術(shù)能夠更精準(zhǔn)的進行管道設(shè)置。另外，此種轉(zhuǎn)換層技術(shù)布置施工時要跨滿層進行，還要將上弦節(jié)點和上部密柱中心的位置處于同一水平線，這樣能夠降低下層框架對整個轉(zhuǎn)換層重量的承載比例，從而保護下層框架。

2 高層轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)布置

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計之中，往往會有不止一處的轉(zhuǎn)換層，所以在底部有轉(zhuǎn)換層的建筑上部結(jié)構(gòu)進行轉(zhuǎn)換的時候有些豎向的構(gòu)件并不能直接與地相連，這就需要有一種安全的構(gòu)件來幫助進行轉(zhuǎn)換。目前我國建筑主要轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)有轉(zhuǎn)換大梁、析架以及空腹析架等等，這些都是可以用于轉(zhuǎn)換層的構(gòu)件，不過要注意有些轉(zhuǎn)換構(gòu)件并不是都適用于所有高層建筑轉(zhuǎn)換層，因為這需要考慮到地震的因素，有些轉(zhuǎn)換構(gòu)件并沒有經(jīng)過太多的地震測試，所以安全性有待考究，如厚板轉(zhuǎn)換形式就不適用于地震多發(fā)區(qū)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，但是對于具有較大空間的地下室，在地震發(fā)生的時候破壞力對地下室的影響較小，轉(zhuǎn)換后板可以采用其中。在高層建筑的轉(zhuǎn)換層設(shè)計之中，落地剪力墻和框支柱的布置可以起到非常有用的作用，可以有效加強轉(zhuǎn)換層在地震中的穩(wěn)定性。如果是通體結(jié)構(gòu)的高層建筑需要進行轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，那么要求筒體結(jié)構(gòu)建筑的內(nèi)筒全部貫穿在一起并且落地，并且根據(jù)有關(guān)要求進行墻體的加厚；對于框支剪力墻結(jié)構(gòu)的建筑來說，如果需要進行結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化必須要有充足的剪力墻；長矩形框支剪力墻在落地剪力墻的間距設(shè)置上應(yīng)該嚴(yán)格按照有關(guān)規(guī)定進行。以上這些都是不同建筑結(jié)構(gòu)在進行轉(zhuǎn)化層設(shè)計的時候需要注意的方面，采用這些方式對于具有轉(zhuǎn)換層的高層建筑可以有效地對剛度進行掌控，可以減少內(nèi)力或者是地震給建筑帶來的形變程度，讓轉(zhuǎn)換層上下兩部分的能量傳遞更加快捷，這也就幫助建筑的轉(zhuǎn)換層可以輕易地承受較大力量的傳遞，增強了建筑轉(zhuǎn)換層的穩(wěn)定性。此外在門洞的設(shè)置問題上，框支剪力墻的轉(zhuǎn)換梁的上一部門墻體和中柱上方都不應(yīng)該設(shè)置門洞，因為這些門洞會削弱轉(zhuǎn)換層的傳遞能力。而對于落地剪力墻和筒體來說，它們的門洞應(yīng)該設(shè)置在墻體中間部分，因為這樣可以使得剪力墻墻肢受力均勻。

3 轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計

根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)計算結(jié)果顯示，在水平地震作用力下，傾覆力矩分布曲線會在轉(zhuǎn)換層處發(fā)生轉(zhuǎn)折、可以發(fā)現(xiàn)高層建筑的高層如果存在轉(zhuǎn)換層，那么對于整個建筑的抗震都是非常不利的，在進行抗震設(shè)計的時候，在轉(zhuǎn)換層下部一般都是剪力墻結(jié)構(gòu)，落地剪力墻所分配的傾覆力矩從轉(zhuǎn)換層向下傳遞的速度比較快，但是支撐框架的傾覆力矩傳遞很少。從另外一個角度來說，在轉(zhuǎn)換層處，由于框支剪力墻的大部分力量都從樓板傳給了落地剪力墻，進而造成了傾覆力矩曲線出現(xiàn)較大的轉(zhuǎn)折。綜上所述，如果建筑的轉(zhuǎn)換層處于建筑的較高處，那么在剪力進行傳輸?shù)倪^程中更容易造成落地剪力墻的破壞，而因為剪力墻上面的一部分墻體受力較大，框支剪力墻容易出現(xiàn)裂縫和變形，至于下部的框架自然也是更加脆弱，這些都給高層建筑的抗震埋下了隱患，所以在實際設(shè)計之中，為了增強這些薄弱部分的抗震能力，對于那些超過3層的轉(zhuǎn)換層，它們的框支柱以及剪力墻底部在進行設(shè)計的時候，應(yīng)當(dāng)加強抗震等級，從設(shè)計上提高其抗震要求，確保建筑的抗震能力不出現(xiàn)問題。不過對于一些特殊的轉(zhuǎn)換層框架，則不用采取這種措施，比如底部帶轉(zhuǎn)換層的框架，這種結(jié)構(gòu)建筑的轉(zhuǎn)換層的上部不能夠直接和地下相連，這種建筑的轉(zhuǎn)換層是非常薄弱的地方，對其地震的剪力計算應(yīng)該乘以規(guī)定的倍數(shù)。而在高層建筑的轉(zhuǎn)換層剛度計算之中，不能夠認為該樓層的剛度滿足需求就認定樓層是安全穩(wěn)定的，對于這種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層剛度計算要加大倍數(shù)；而對于八度級別的抗震進行設(shè)計的時候，不僅需要考慮水平力的作用，對于地震豎向產(chǎn)生的作用力也要進行計算，可以利用動力時程分析方法對其進行計算；如果采用模糊算法，可以直接把轉(zhuǎn)換構(gòu)件在重力荷載標(biāo)準(zhǔn)作用下的內(nèi)力乘以1.1。此時框支柱的內(nèi)力增大幅度比較高；如果高層建筑的轉(zhuǎn)換層在3層及3層之上，那么對于建筑的抗震能力影響更大，此時對于建筑內(nèi)力的計算也應(yīng)該增加一些幅度。高層建筑結(jié)構(gòu)進行轉(zhuǎn)換是一種對抗震非常不利的設(shè)計，對于那些要求抗震能力達到9度以上的高層建筑不應(yīng)該使用，對于有轉(zhuǎn)換層的高層建筑的防震要求應(yīng)該按照建筑的實際情況，結(jié)合有關(guān)計算標(biāo)準(zhǔn)進行結(jié)算，同時采取合適的構(gòu)造方法對于建筑的防震設(shè)計也是非常的重要。

4 結(jié)語

在現(xiàn)代化高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)中，其應(yīng)用功能的多樣化而造成建筑物結(jié)構(gòu)傳力體系更加復(fù)雜，在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)按照規(guī)范要求，并根據(jù)實際情況做好結(jié)構(gòu)分析計算和優(yōu)化設(shè)計，盡可能將影響建筑物使用功能的諸多因素考慮進去，從而達到科學(xué)、經(jīng)濟的設(shè)計目的。

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