談轉換層結構在高層設計中的幾個問題

陳胡 高海麗

摘要：轉換層結構的設計與應用是目前很多大型高層、多功能建筑施工設計中的重要項目,是在保證建筑安全穩定的前提下,滿足建筑多功能需求的主要設計手段和方法?，F本文就通過簡要概述轉換層結構在高層設計中的應用,闡述結構轉換層的常見類型,分析其受力機理,以及結合設計工程中遇見轉換層結構在高層設計應用中的幾個相關問題。

關鍵詞：轉換層結構；高層建筑；結構設計；優化配置

中圖分類號： TU208 文獻標識碼： A

引言

現代城市化進程在不斷加快的情況下，城市中的人口密度越來越大，這促使高層建筑結構已經成為了現代城市發展的主體，并且弱化了土地資源的供求矛盾，這是當前城市發展的一個主要趨勢，同時，城市也在逐漸向著綜合性的方向發展。在當前施工條件不斷提高的情況下，結構轉換層已經成為了現代高層建筑中一項極其重要的施工技術。

一、轉換層結構在高層設計中的應用概述

目前,我國的城市高層建筑大都具有多種功能,如在一座高層建筑中,底層是用來作為商店、超市、餐廳等商業用途的樓層;中層是用來作為辦公用的辦公樓層;而高層則是作為酒店或住宅的樓層,這樣多功能的高層建筑不但使城市商業中心緊密結合在一起,且節省了空間、方便了人們的生活和工作。但從建筑設計的專業角度來講,這種建筑多功能的建筑內部結構分布卻存在著一定問題。按照普通的設計思路來看,由于高層建筑的樓層較高,為了保持建筑的穩定與安全,需要加大底層結構的剛度和強度,盡可能的多設置墻體和柱體,以承受上部樓層傳下的荷載;而上部由于荷載較小,則無須多設墻體,以減少對底層的荷載。這樣看來,建筑功能需求下的建筑結構設計與正常的建筑結構設計思路背道而馳,剛好相反。那么如何在保證建筑結構整體的剛度與安全的前提下,滿足現代城市對建筑結構的需求呢？此時,就需要在結構形式發生轉換的樓層設計一種水平轉換構件,這個水平轉換構件,就是轉換層結構。

二、高層建筑轉換層結構形式

在現代建筑結構形式不斷開發的情況下，各個方面的的功能需求在不斷的轉變，并且建筑自身的造型需求也在不斷的增多，在不同的情況下，也同樣有著不同的改變，所使用轉換層結構應用方式也有著較大的不同。通常情況下，實際應用在建筑工程中的轉換層結構有以下幾種：

1、梁式轉換層結構。

梁式轉換層是運用托梁施工技術在現澆鋼筋混凝土樓板上布置單向、雙向或斜向托梁，用來承托上部各層建筑結構的重力。梁式轉換層一般用于底部大空間剪力墻建筑結構，是目前高層建筑轉換層中應用最廣的結構形式，梁式轉換層結構具有同時受力性強、傳力途徑清晰，構造簡單可靠等技術優勢。

2、板式轉換層結構。

板式轉換層結構通常是針對高層建筑的上下柱網出現不規則工況時、或者軸線錯位較大的情況下，采用板式結構進行設置的轉換層構造。一般來說，用以承載建筑結構重荷的轉換層板，其厚度相對較大，耗材也多。為更好地實現多功能高層建筑的要求，板式轉換層的結構布置通常較為簡便。

3、斜柱轉換層結構。

斜柱轉換層是現代高層、超高層建筑中廣泛采用的轉換結構形式，具有傳力效果直接，能有效減小轉換梁尺寸，轉換方式靈活的效果，從受力模式上看，斜柱轉換層屬于高效型結構形式。

三、高層建筑轉換層結構的設計要點

在高層建筑功能需求不斷多元化發展的情況下，其轉換層結構自身所具有的設計需求差異也在持續不斷的發生變化，因此，在對建筑工程轉換層結構進行設計的過程中必須要充分的注意以下幾個不同的方面：

1、設計目標：其轉換層自身的設計必須要充分的符合建筑工程自身的結構需求，同時應當和建筑工程當前的封閉式開間來進行相應的布置，而各個部分的對稱落地構件都應當保持實較為良好的實強度，如果強度出現了不足，那么就需要采取截面加大、鋼材和混凝土相結合的方式來提升構件自身所擁有的強度，最大限度的提升側力構件在抗剪剛度、抗彎等方面的性能。

2、結構選擇：高層建筑轉換層結構形式主要有梁式、桁架、箱式，斜柱式、板式等形式買不同的結構形式具有不同的優勢，設計時可根據具體的工程施工情況以及建筑功能需求進行合理的優化和選擇轉換層形式。

3、剛度保障：轉換層結構設計時，要可以采取控制落地剪力墻的比例，加大落地墻的厚度，提高砼的強度等級，減小洞口尺寸，增強結構強度性能，還可以增設補償剪力墻，來增加空間層的剛度控制轉換層上下層結構的剛度變化率。

4、軸壓比控制：由于轉換層以上墻體的垂直荷截不能借助樓板平面內的剛度傳遞給落地剪力墻，因此要嚴格控制框支柱的軸壓比，箍筋應沿框支柱全高加密，并采用復合箍或螺旋箍，通過提高柱箍筋配箍率，來提高轉換層柱的抗剪能力。

四、結構轉換層的受力機理分析

以梁式轉換層為例,結構轉換層的受力機理為:梁式轉換層結構的傳力途徑為墻-梁-柱(墻)的形式,傳力直接,便于分析計算。轉換大梁的受力主要受上部剪力墻剛度、剪力墻與轉換大梁的相對剛度和轉換大梁與下部支撐結構的相對剛度影響。對一般結構轉換大梁(跨度小于12m),上部墻體考慮3層與考慮4層、5層內力的設計控制內力差異不大于5%,故在分析計算時可只考慮計算3層。從計算分析不論轉換大梁上部墻體的形式如何,只要墻體有一定長度,轉換大梁中的彎矩就會比不考慮上部墻體作用要小,同時轉換大梁也會有一段范圍出現受拉區。主要原因:一是由于轉換大梁處于結構整體彎曲的受拉區,應力積分后在轉換大梁中就會出現軸向拉力,二是由于上部墻體豎向力作用于轉換大梁時形成了拱的傳力方式,這樣豎向力轉變成斜向力作用于轉換大梁,從而在轉換大梁跨中出現拉力,支座出現軸向壓力的情況。

五、轉換層結構應用的一些問題

筆者的一個項目，為一幢地下一層，地上二十六層的底部部分框支抗震墻結構房屋，其中框支轉換層為五層樓面；主要建筑功能為地下1層車庫及設備用房，地上一層為大空間商業，二至四為大空間辦公用房，五至二十六層為住宅樓。本工程抗震設防烈度：7度，設計基本地震加速度值：0.15g，場地類別 II類，設計地震分組：第二組，特征周期值：0.40s?？蛑涌蚣芸拐鸬燃墳樘匾患?，加強部位剪力墻抗震等級為特一級，一般部位剪力墻抗震等級為二級。

1、轉換次數

布置轉換層上下主體豎向結構時,要注意盡可能多的布置成上下主體豎向結構連續貫通,尤其是在核心筒框架結構中,核心筒宜盡量予以上下貫通。

2、上下層剛度比

為了提高高層建筑的整體抗震性能,在設計轉換層結構時,要注意平衡轉換層上部與下部的剛度,使兩者之間的剛度與其變形能力相配合,以增大抗震能力。本工程的樓層剪彎剛度比XY向分別為1.021.1，此比值宜接近1.0，如果計算剛度比過大，說明存在剛度突變，抗震不利。

3、傳力要求

布置轉換層上下主體豎向結構時,要注意盡可能使水平轉換結構傳力直接,盡量避免多級復雜轉換,更應盡量避免傳力復雜,抗震不利,質量大,耗材多,不經濟不合理的厚板轉換。對于剪力墻結構,上部剪力墻應落在托梁的中面上,以免使托梁受到大的扭矩,地震時容易產生震害。因此應避免剪力墻托梁的偏心和間接傳力。

4、軸壓比限值與短柱

采用了轉換層后,高層建筑底部的若干柱子要承受上部結構荷重。因柱距受建筑功能制約,柱截面又要滿足軸壓比和上下層剪切剛度比的要求,所以柱子一般都為對抗震不利的短柱,大幅度增加層高不太可能,也不經濟,因而為避免短柱的出現,只有減小柱截面,然而減小柱截面有時可能會很難滿足軸壓比限值,因此,在設計中必須做重點研究。

5、優化配置

在抗震設計中,當建筑功能需要高位轉換時,轉換結構宜優先選擇不致引起框支柱柱項彎矩過大,柱剪力過大的結構形式,如斜腹桿桁架,空腹桁架和寬扁梁等,同時要注意滿足強度,剛度要求避免脆性破壞。

6、抗震構造措施加強

在本工程中，7層樓面墻柱抗震等級為2級，6層為特一級，等級相差過大，承載力產生突變，抗震不利，故設計中將7層墻柱的抗震等級設為1級，逐步過渡到2級。

結束語

轉換層結構的設計與應用很好的解決了建筑功能需求與建筑受力需求之間的矛盾,為提高高層建筑的整體性能提供有力的技術支持。在采用轉換層結構進行施工設計時,要根據實際具體的工程狀況、施工條件、工程預算以及建筑需求進行合理選擇,嚴格注意在施工應用中的一些主要問題,把關質量關,使轉換層結構充分發揮其最大的職能作用。

參考文獻

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[2]余智.淺談建筑轉換層的結構設計[J].建材與裝飾(下旬刊),2008.(4).