摘 要：梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是多功能高層建筑實(shí)現(xiàn)功能轉(zhuǎn)換中應(yīng)用的最廣泛的一種轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。本文先簡(jiǎn)單介紹了梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在國內(nèi)發(fā)展歷程和梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)在高層建筑中應(yīng)用的設(shè)計(jì)原則。最后，文中從結(jié)構(gòu)形式、受力機(jī)理以及設(shè)計(jì)要求三方面，對(duì)梁式轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)探討。

關(guān)鍵詞：高層建筑；梁式轉(zhuǎn)換層；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)原理；原理應(yīng)用

改革開來以來，我國城鎮(zhèn)化建設(shè)腳步一直在不停加快，城市人口也在快速增長(zhǎng)，使得城市土地變得寸土寸金。于是，為了有效利用有限的城市土地資源，提高城市土地利用率，近幾年來，在城市建筑中，建筑結(jié)構(gòu)逐漸向高層建筑發(fā)展。并且，這種趨勢(shì)現(xiàn)在已經(jīng)變得越來越明顯，城市高層建筑高度越來越高，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，同時(shí)，高層建筑的使用功能也逐漸呈現(xiàn)出功能多樣化的發(fā)展趨勢(shì)。比如，在同一棟高層建筑內(nèi)，將建筑分成上中下三個(gè)不同的組成部分，上層為住宅功能區(qū)，中層為辦公功能區(qū)，下層為購物、餐飲功能區(qū)，徹底改變了以往一棟建筑只提供一種使用功能的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。而由于在同一棟建筑內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了多種不同使用功能，每一種使用功能對(duì)建筑物建筑結(jié)構(gòu)和建筑空間的要求都不一樣，因此，為了能夠更好的實(shí)現(xiàn)不同功能的轉(zhuǎn)換，需要在建筑物施工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中設(shè)置轉(zhuǎn)換層。目前，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用最廣泛的就是設(shè)計(jì)、計(jì)算以及施工都比較簡(jiǎn)單的梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。

1 梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在國內(nèi)發(fā)展歷程

我國最早是在上世紀(jì)七十年代開始在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，最開始的時(shí)候，我國在高層建筑中應(yīng)用梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的主要目的是為了實(shí)現(xiàn)建筑物底層大開間的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并沒有從根本上實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑功能的轉(zhuǎn)換。不過，梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)在我國發(fā)展的極為迅速，到了上世紀(jì)九十年代，梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就已經(jīng)列入了我國建筑結(jié)構(gòu)體系和設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)定中，并且政府部門對(duì)該種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也比較重視，一直在通過不斷的摸索和總結(jié)來完善梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理和流程[1]。

我國最先應(yīng)用梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的建筑是在上世紀(jì)七十年代末落成于上海，這座最早的應(yīng)用梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的建筑高度為十三層，為底層大空間結(jié)構(gòu)建筑，但是，當(dāng)時(shí)這座建筑的功能依舊比較單一；接著，在1983年，在大連建成了另一座高度為十五層的應(yīng)用了梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)多功能的高層建筑，這座建筑，下三層為大空間結(jié)構(gòu)，提供購物、餐飲功能，上十二層為提供住宅功能的住宅區(qū)。自此之后，我國應(yīng)用梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的多功能高層建筑開始逐漸興起，并迅速成為我國建筑群組成的一部分。

進(jìn)而二十一世紀(jì)，在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的推動(dòng)下，我國城鎮(zhèn)化建設(shè)腳步也在不斷加快，我國多功能高層建筑也開始快速發(fā)展，其中，絕大多數(shù)建筑在實(shí)現(xiàn)功能轉(zhuǎn)換的過程中應(yīng)用的都是梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。

2 梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)在高層建筑中應(yīng)用的設(shè)計(jì)原則

2.1 減少高層建筑的豎向構(gòu)件

在高層建筑的梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要最大限度的減少建筑物的豎向構(gòu)件。因?yàn)樵诮ㄖY(jié)構(gòu)中，應(yīng)用的豎向構(gòu)件越多，所需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換的功能結(jié)構(gòu)就越少，梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的剛性就會(huì)越小，最終就會(huì)影響整個(gè)建筑的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，造成安全隱患[2]。

2.2 對(duì)稱布置轉(zhuǎn)換柱和剪力墻

在對(duì)轉(zhuǎn)換柱和剪力墻的位置進(jìn)行布置的過程中，盡可能保證剪力墻和轉(zhuǎn)換柱的對(duì)稱性，轉(zhuǎn)換梁上面的轉(zhuǎn)換柱最好甚至在轉(zhuǎn)換梁的正中位置，這樣當(dāng)轉(zhuǎn)換梁發(fā)生變形的時(shí)候，轉(zhuǎn)換柱的柱腳就不會(huì)受到太大的影響，轉(zhuǎn)換柱也不會(huì)發(fā)生太大的形變，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換柱發(fā)生剪切和彎曲變形，影響梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的安全性。

2.3 保證梁式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)剛度

轉(zhuǎn)換層的剛度達(dá)不到要求會(huì)影響建筑物的抗震效果，因此，在梁式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一定要保證梁式轉(zhuǎn)換層的剛度。在梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，通常要求梁的高度要比跨度大至少12%，并且施工所使用的混凝土要是性能最高的混凝土，這樣才能夠保證轉(zhuǎn)換層的剛度，在滿足建筑物安全性要求的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)建筑物功能的轉(zhuǎn)換[3]。另外，在對(duì)剪力墻和轉(zhuǎn)換柱進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，也要充分考慮兩者的受力情況，對(duì)兩者性能進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，只有這樣，才能夠起到良好的轉(zhuǎn)換作用。

2.4 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)位置不能過高

在對(duì)梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，一定要注意控制轉(zhuǎn)換層位置的高度，保證其在合理的范圍內(nèi)，否則，一旦轉(zhuǎn)換層高度超過建筑物的標(biāo)準(zhǔn)要求，就會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換層的剛度降低、轉(zhuǎn)換柱和轉(zhuǎn)換梁的受力增大，容易發(fā)生變形和超筋現(xiàn)象，影響建筑物的抗震效果。如果因?yàn)榻ㄖ锕δ苻D(zhuǎn)換需求，就要將轉(zhuǎn)換層的高度升高，則需要根據(jù)具體要求適當(dāng)增加轉(zhuǎn)換層的剛度以及轉(zhuǎn)換柱和轉(zhuǎn)換梁的性能，同時(shí)，嚴(yán)格限制落地剪力墻的間距。

2.5 對(duì)梁式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)進(jìn)行嚴(yán)格計(jì)算

梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中比較重要的一個(gè)部分，對(duì)整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的安全性和實(shí)用性有著比較重要的影響。因此，在對(duì)梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，為了保證梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和準(zhǔn)確性，一定要對(duì)在相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格計(jì)算。在根據(jù)建筑物的實(shí)際受力變形狀態(tài)構(gòu)建計(jì)算模型的時(shí)候，應(yīng)該通過三維空間的整體結(jié)構(gòu)對(duì)模型進(jìn)行整體分析，應(yīng)用有限元的方法來對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)實(shí)施局部的補(bǔ)充和計(jì)算，務(wù)必確保設(shè)計(jì)計(jì)算的準(zhǔn)確性。

3 梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)形式

梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)也被稱為是梁式框支剪力墻結(jié)構(gòu)，它是利用下部的轉(zhuǎn)換大梁，將上部剪力墻落在框支梁上，再由框支柱支撐框支梁，形成一種獨(dú)特的支撐體系，達(dá)到轉(zhuǎn)換建筑功能結(jié)構(gòu)的目的。梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)是以剪力墻到轉(zhuǎn)換梁，再到轉(zhuǎn)換柱為力量傳導(dǎo)途徑，由于這種傳力途徑的表現(xiàn)形式直接、明確，計(jì)算、分析和設(shè)計(jì)都比較方便，而且施工也比較簡(jiǎn)單，所以在高層建筑功能轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，經(jīng)常使用梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。但是，梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)在于，如果建筑物的上下軸線的位置布置錯(cuò)位，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中就需要增加轉(zhuǎn)換梁的數(shù)量，導(dǎo)致建筑物的空間受力情況變得更加復(fù)雜，不利于建筑施工[4]。而在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，可以根據(jù)梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)根據(jù)建筑物轉(zhuǎn)換功能的具體要求，將轉(zhuǎn)換層分為如圖1所示的幾種不同結(jié)構(gòu)形式。

3.2 受力機(jī)理和設(shè)計(jì)分析

梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)是以剪力墻到轉(zhuǎn)換梁，再到轉(zhuǎn)換柱為力量傳導(dǎo)途徑，這種傳力途徑的表現(xiàn)形式直接、明確，比較方便設(shè)計(jì)的計(jì)算和分析。其中，轉(zhuǎn)換梁的受力情況主要受到傳導(dǎo)力量的剪力墻的剛度、轉(zhuǎn)換梁自身的剛度以及支撐轉(zhuǎn)換梁的轉(zhuǎn)換柱的剛度影響。因此，為了明確梁式轉(zhuǎn)換層的受力機(jī)理，相關(guān)研究人員以轉(zhuǎn)換梁所承托的層數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)換梁受力的影響為例，應(yīng)用了有限元程序?qū)ζ溥M(jìn)行了分析。分析結(jié)果表示，當(dāng)轉(zhuǎn)換梁的跨度不大于十二米時(shí)，轉(zhuǎn)換梁承托的層數(shù)標(biāo)準(zhǔn)為三層，但是以承托層數(shù)為四層或者是五層進(jìn)行計(jì)算時(shí)，偏差也沒有超過5%，在可承受范圍之內(nèi)。因此，在對(duì)承托層數(shù)為三到五層的梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，就可以直接以三層為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。導(dǎo)致這種情況出現(xiàn)的原因主要有兩點(diǎn)：其一，是因?yàn)檗D(zhuǎn)換梁正好處于結(jié)構(gòu)整體彎曲的受拉區(qū)，應(yīng)力積分后在轉(zhuǎn)換大梁中就會(huì)出現(xiàn)軸向拉力；其二，是因?yàn)榧袅w豎向力作用于轉(zhuǎn)換梁時(shí)，傳力方式就會(huì)由豎向傳遞變成了拱式傳遞，力量不會(huì)直接作用在轉(zhuǎn)換梁上，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)換梁中間位置出現(xiàn)拉力，支座出現(xiàn)軸向壓力。

3.3 梁式轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)要求

梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該根據(jù)建筑物具體功能轉(zhuǎn)換以及轉(zhuǎn)換層力量傳到的具體需要，依照建筑物轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)高度要求，在規(guī)定高度范圍內(nèi)在一個(gè)位置或者是多個(gè)位置靈活布置轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，同時(shí)，在對(duì)轉(zhuǎn)換層進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中，還要充分考慮建筑物的抗震要求，對(duì)轉(zhuǎn)換層的剛度進(jìn)行嚴(yán)格設(shè)計(jì)[5]。在對(duì)大底盤多塔樓的商住高層建筑的轉(zhuǎn)換層進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，塔樓的轉(zhuǎn)換層應(yīng)該設(shè)置在裙房的屋面層，并對(duì)屋面轉(zhuǎn)換梁、轉(zhuǎn)換層板的尺寸和厚度進(jìn)行加大加厚處理，以避免中間出現(xiàn)剛度特別小的樓層，影響建筑物抗震效果。在對(duì)普通多功能高層建筑的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，要嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)換層的位置高度，地震烈度為7度的地區(qū)，轉(zhuǎn)換層高度不能超過5層，地震烈度為8度的地區(qū)不能超過3層。

4 結(jié)束語

現(xiàn)在，在城市建筑中，高層建筑數(shù)量越來越過，其中還有很大一部分是屬于多功能高層建筑，這些建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同功能區(qū)對(duì)建筑空間的需求也不一樣，需要通過轉(zhuǎn)換層來實(shí)現(xiàn)功能轉(zhuǎn)換，增加了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度。當(dāng)前，在轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)用最廣泛的就是計(jì)算、分析和設(shè)計(jì)都比較簡(jiǎn)單的梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過其設(shè)計(jì)，更好的實(shí)現(xiàn)高層建筑的功能轉(zhuǎn)換需求。

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作者簡(jiǎn)介：楊永康（1964-），男，貴州遵義人，本科，工程師，主要從事方向?yàn)榻ㄖこ淘O(shè)計(jì)項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。