張恒波

（濰坊市市政工程設(shè)計研究院有限公司，山東 濰坊 261061）

隨著市場經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，建筑業(yè)迎來了一個巨大的發(fā)展機(jī)遇，行業(yè)整體發(fā)展水平不斷提高，人們對建筑結(jié)構(gòu)功能需求也逐漸呈現(xiàn)出多樣化、個性化的特點。因此，需要對高層建筑中的轉(zhuǎn)換層進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，尤其是高層住宅建筑。在設(shè)計和施工過程中，可采用不同類型的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)來滿足住戶的個性化使用需求，從而全面提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計效益。因此，需要對轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計問題進(jìn)行有效分析，優(yōu)化設(shè)計，提高高層建筑的設(shè)計質(zhì)量。

1 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計的作用

轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)用可滿足大型商場、娛樂場所的多樣化功能需求。主要利用墻體對上下層空間進(jìn)行分割，上層主要滿足住宅戶型的空間設(shè)計要求，利用墻體將整體空間進(jìn)行合理劃分；下層主要預(yù)留整體空間結(jié)構(gòu)，面積較大，使用方式比較靈活、多樣化。在高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)結(jié)合建筑體的具體使用功能，對層高進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，保留其正常樓層的使用功能，必要時可作為設(shè)備層使用。

2 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)分類

2.1 箱式轉(zhuǎn)換層

當(dāng)高層建筑結(jié)構(gòu)梁截面較大且一層樓板剛度不符合標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)要求時，應(yīng)在轉(zhuǎn)換梁底與梁頂之間放置一層樓板，構(gòu)建成一個箱型梁，這樣就能保證樓板剛度的假定值與實際數(shù)值一致。這種結(jié)構(gòu)形式可應(yīng)用于整個樓層，環(huán)繞建筑周邊形成箱式轉(zhuǎn)換層。這種結(jié)構(gòu)類型的約束力較強、剛度大，可以對轉(zhuǎn)換層的上下層應(yīng)力進(jìn)行直接、均勻的傳遞，必要時可作為設(shè)備層使用。但在實際應(yīng)用中，需要在建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)開挖更多的設(shè)備預(yù)留孔，操作過程難度較大，成本較高。

2.2 梁式轉(zhuǎn)換層

梁式轉(zhuǎn)換層通常與框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系結(jié)合使用，底部空間較大。在實際應(yīng)用中，需要將上層剪力墻設(shè)置在框支梁上，通過固定結(jié)構(gòu)來提供支撐力，共同構(gòu)成結(jié)構(gòu)體系。如果要對縱、橫向進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通常使用雙向梁模式操作。這種結(jié)構(gòu)類型的轉(zhuǎn)換層施工操作簡單，可以對上下層的應(yīng)力進(jìn)行精準(zhǔn)傳遞，整體強度和剛度較高，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用廣泛。如果需要對上下軸進(jìn)行錯位安排，則需要增加轉(zhuǎn)換梁的設(shè)置數(shù)量，這種情況會使整體空間的受力情況更加復(fù)雜。

2.3 厚板式轉(zhuǎn)換層

在高層結(jié)構(gòu)設(shè)計時，當(dāng)上下柱網(wǎng)錯位復(fù)雜且梁不能發(fā)揮其承托作用時，需要設(shè)計厚板式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，如圖1所示。在具體設(shè)計時，應(yīng)結(jié)合柱網(wǎng)大小尺寸、上層結(jié)構(gòu)荷載等因素，明確板的厚度和規(guī)格。這種結(jié)構(gòu)類型適用性強、使用靈活，可用于任何結(jié)構(gòu)布局，且剛度較大，可組成整體性的承臺，但受力狀態(tài)復(fù)雜、傳力途徑混亂、內(nèi)應(yīng)力大、易發(fā)生剛度突變，適合結(jié)構(gòu)復(fù)雜、開間較多的建筑結(jié)構(gòu)，不適合在多震區(qū)域使用。

圖1 厚板式轉(zhuǎn)換層

2.4 桁架式轉(zhuǎn)換層

在高層結(jié)構(gòu)設(shè)計中，如果上層是住宅用房、下層是大型商場的結(jié)構(gòu)，則應(yīng)采用桁架式結(jié)構(gòu)形式，并可作為設(shè)備層使用。在實際應(yīng)用中，通過桁架將上層柱墻的荷載傳遞給下層柱墻，并根據(jù)具體需求在桁架空間內(nèi)設(shè)置差異化的管道。在具體設(shè)計時，可在整個樓層進(jìn)行設(shè)計，并對所有節(jié)點進(jìn)行合理設(shè)置，確保其與墻肢形心對中。這種結(jié)構(gòu)類型的結(jié)構(gòu)受力途徑比較明確，常用于地震多發(fā)地區(qū)，但施工工藝復(fù)雜，尤其是軸線錯位布置容易出現(xiàn)失誤，不利推廣到二、三線城市。

3 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

轉(zhuǎn)換層在高層建筑設(shè)計中起著承上啟下的作用，直接影響建筑工程質(zhì)量。轉(zhuǎn)換層的規(guī)范設(shè)計能減少資源浪費、提高資源利用率、有效控制工程設(shè)計中的風(fēng)險因素。具體的設(shè)計應(yīng)遵循以下原則：

（1）在滿足建筑體功能需求的前提下，合理控制轉(zhuǎn)換層豎向構(gòu)件的使用數(shù)量，避免使用量過多。同時，要相應(yīng)地增加直接接地構(gòu)件數(shù)量，降低建筑結(jié)構(gòu)的剛度，防止發(fā)生剛度突變，提高整體結(jié)構(gòu)的抗震性。

（2）避免高位轉(zhuǎn)換。由于高位轉(zhuǎn)換將導(dǎo)致框支剪力墻結(jié)構(gòu)的傳力受阻、結(jié)構(gòu)剛度突變等，使建筑物出現(xiàn)薄弱層，降低整體抗震性能。

（3）明確傳力途徑，避免在傳力過程中發(fā)生剛度突變，保證受力均勻性。

（4）科學(xué)分析剪力墻與框支剪力墻的占比。一般情況下，橫向落地剪力墻是橫向墻的0.5倍。

（5）為保證上部柱子與剪力墻的對稱性，采用轉(zhuǎn)換梁對梁上立柱進(jìn)行固定，從而控制支柱柱角，避免變形。

4 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

4.1 不同結(jié)構(gòu)類型的設(shè)計要點

（1）梁式轉(zhuǎn)換層設(shè)計廣泛應(yīng)用于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，受力途徑明確、整體結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、施工過程不復(fù)雜。但在具體設(shè)計時，必須保證上下層結(jié)構(gòu)的優(yōu)化布置，促進(jìn)上下層結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)，進(jìn)而提高高層建筑結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。當(dāng)建筑高度較高時，剪力墻的內(nèi)力和傳力途徑發(fā)生變化，整體受力能力下降，應(yīng)優(yōu)化設(shè)計以提高其抗震性能。

（2）桁架式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)是一種重要的承重結(jié)構(gòu)，可以對建筑不同功能區(qū)域的上下層進(jìn)行連接。但由于其下桿橫截面積較小、高度較高，施工難度大，施工工藝復(fù)雜。因此，在實際施工過程中，必須對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行全面的研究，精準(zhǔn)計算參數(shù)，以達(dá)到整體結(jié)構(gòu)設(shè)計的最佳效果。

（3）厚板式轉(zhuǎn)換層設(shè)計在設(shè)計布置時適用性較強，使用性靈活，簡化了上下層結(jié)構(gòu)的正對工序。但在實際施工中需要大量的材料，因此，需要精確地計算受力角度，并選擇合適的配筋量。同時，應(yīng)綜合考慮抗剪力與抗沖切力，控制受力程度，以精確計算內(nèi)力及配筋量，在保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的同時，充分發(fā)揮經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。

4.2 優(yōu)化抗震設(shè)計

隨著現(xiàn)代化社會的發(fā)展，人們對房屋結(jié)構(gòu)抗震性能的要求越來越高，但某些高層建筑由于增加了轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)豎向剛度受力失衡、承載力分布不均、傳力剛度下降，甚至出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形等問題，嚴(yán)重影響整體建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。因此，在設(shè)計轉(zhuǎn)換層時應(yīng)加強抗震設(shè)計，綜合分析潛在的地震威脅因素，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，確保轉(zhuǎn)換層設(shè)計的全面性和完整性，提高整體結(jié)構(gòu)的抗震性能。另外，應(yīng)盡量避免高位轉(zhuǎn)換，高位轉(zhuǎn)換容易造成上下層結(jié)構(gòu)受力不均，發(fā)生水平地震時剪力墻受力荷載過大，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的支撐力下降；高層建筑受力復(fù)雜，整體抗震性能較差，結(jié)合數(shù)據(jù)分析，如果轉(zhuǎn)換層超過三層，其抗震性能將受到很大影響；如果高位轉(zhuǎn)換層的傳力途徑被堵塞，將導(dǎo)致下層剪力墻的受力傳遞困難，導(dǎo)致剛度突變，甚至出現(xiàn)裂縫問題，形成薄弱層。因此，在設(shè)計轉(zhuǎn)換層時，應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)類型、高度等因素選擇合適的設(shè)計方案；轉(zhuǎn)換層下層剪力墻主要通過樓板將受力傳遞到落地剪力墻上，應(yīng)避免力堆積過大而引起剛度突變問題；如果采用高位轉(zhuǎn)換層，則應(yīng)注意提高其抗震等級，尤其要加強框架、支撐、剪力墻的抗震等級，以減少建筑出現(xiàn)薄弱樓層。轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)布置平面如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)布置平面圖

4.3 優(yōu)化剛度設(shè)計

剛度是影響轉(zhuǎn)換層設(shè)計質(zhì)量的關(guān)鍵因素，特別是高層建筑，其高度和自重對轉(zhuǎn)換層剛度有不利影響。因此，為了提高建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在設(shè)計轉(zhuǎn)換層時應(yīng)使用較高等級的混凝土，保證下層剛度超過上層70%，將其設(shè)計為筒體結(jié)構(gòu)，以保證結(jié)構(gòu)剛度符合設(shè)計要求。轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計和布置應(yīng)注意以下兩點。

（1）底部大空間剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要對上下層剪力墻剛度比進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，使上下層受力均勻，避免剛度突變，從而保證整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

（2）外圍柱距的框筒結(jié)構(gòu)在對轉(zhuǎn)換層進(jìn)行設(shè)計時，如果要擴(kuò)大外圍柱距框筒結(jié)構(gòu)，應(yīng)采取有效措施保證上下層剪力墻剛度的穩(wěn)定性。因此，在設(shè)計上下截面時，應(yīng)結(jié)合實際情況采用相同材質(zhì)的鋼管混凝柱結(jié)構(gòu)，對柱子的截面、剛度等參數(shù)進(jìn)行有效控制，達(dá)到設(shè)計要求。

4.4 轉(zhuǎn)換層的豎向布置

轉(zhuǎn)換層的設(shè)計應(yīng)深入分析、精細(xì)布置轉(zhuǎn)換層的豎向結(jié)構(gòu)，以滿足建筑物的實際功能需求、優(yōu)化上下層傳力途徑、防止高位轉(zhuǎn)換問題、提高整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可控性。另外，要對轉(zhuǎn)換層的高度進(jìn)行控制，如果其高度過高，將增加剛度突變的風(fēng)險，破壞框支剪力墻結(jié)構(gòu)的受力途徑，從而威脅整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗震性。因此，在設(shè)計轉(zhuǎn)換層豎向結(jié)構(gòu)時，應(yīng)規(guī)范設(shè)置底部帶轉(zhuǎn)換層的建筑結(jié)構(gòu)，防止豎向構(gòu)件連續(xù)貫通。但如果建筑結(jié)構(gòu)的實際功能要求應(yīng)用到高位轉(zhuǎn)換，則需要對變形、彎曲、剪切等結(jié)構(gòu)的剛度進(jìn)行全面分析，使層間內(nèi)力的穩(wěn)定性得到最大程度的控制，從而提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定效益。

5 結(jié)語

綜上所述，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計質(zhì)量直接影響整體建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定效益。因此，應(yīng)結(jié)合實際情況，對轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行合理分類和科學(xué)選擇，明確轉(zhuǎn)換層設(shè)計原則，分析設(shè)計要點，尤其要對不同結(jié)構(gòu)類型的設(shè)計要點、抗震設(shè)計、豎向結(jié)構(gòu)設(shè)計、剛度設(shè)計等進(jìn)行詳細(xì)分析，從而制定更加優(yōu)化、合理的技術(shù)方案，以保證高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性，促進(jìn)建筑行業(yè)的快速發(fā)展。