米日阿依·熱合曼

摘要：在我國城市化進程不斷加快的同時，建筑行業(yè)也得到了快速的發(fā)展，不少的新型施工技術(shù)將用于建筑施工中。轉(zhuǎn)換層在建筑功能上主要變現(xiàn)為可以提供較大的室內(nèi)空間；為建筑物提供了大的入口；對高層建筑中不同功能、不同用途的樓層進行分割。所以，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的設(shè)計就相對較為復(fù)雜。本文主要對高層建筑的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層設(shè)計進行簡要的分析概述。

關(guān)鍵詞：高層建筑；轉(zhuǎn)換層；結(jié)構(gòu)設(shè)計

前言

現(xiàn)代高層建筑正向體型復(fù)雜、功能多樣、造型新穎的方向發(fā)展。同一棟高層建筑。沿高度方向功能發(fā)生變化，使得不同用途的樓層采用不同的結(jié)構(gòu)形式才能滿足建筑的功能要求，這就涉及到結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的設(shè)計，對其不同功能的樓層連接處進行處理，以確保整個建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量安全。然而高層建筑的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層設(shè)計是一項較為復(fù)雜的工程。根據(jù)力學(xué)來分析，高層建筑轉(zhuǎn)換層的上下層內(nèi)力較為集中，且地震力集中，設(shè)計時就相對困難。在設(shè)計施工前，必須要對其進行詳細(xì)的分析，確定方案無誤便可進行施工，這也是復(fù)雜高層建筑設(shè)計的關(guān)鍵問題。

一、轉(zhuǎn)換層定義及設(shè)計的原則

1.轉(zhuǎn)換層的定義

一般情況下，高層建筑下部結(jié)構(gòu)受力較大，而上部的結(jié)構(gòu)受力相對偏小，為確保建筑整體的安全性能，必須保障高層建筑的下部結(jié)構(gòu)充分牢靠。所以，往往其下部的結(jié)構(gòu)布置要求剛度大、柱網(wǎng)密、墻體多，越往上層建造，所需柱、墻的數(shù)量均相應(yīng)減少。使得整個建筑物出現(xiàn)上部活動空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于下部，這樣結(jié)構(gòu)的正常布置與建筑功能對空間的要求正好相反。因此為滿足建筑功能的需求，必須突破常規(guī)設(shè)計，在發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的樓層設(shè)置合理的水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件，進而在確保建筑安全的基礎(chǔ)上使整個建筑滿足使用功能。

2.轉(zhuǎn)換層設(shè)計的原則

在建筑物中設(shè)置轉(zhuǎn)換層將造成建筑的豎向剛度發(fā)生突變，大大的降低建筑結(jié)構(gòu)抗震能力，為有效的防止該情況的發(fā)生，必須遵循以下設(shè)計原則：在設(shè)置轉(zhuǎn)換層過程中，盡可能減少轉(zhuǎn)換構(gòu)件，直接落地式的豎向構(gòu)件越多，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的豎向構(gòu)件就會越少，能夠減小剛度突變，有利于結(jié)構(gòu)的抗震能力；轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)置在高層建筑豎向的較低位置，遵循宜低不宜高的原則；對轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，保證所選換層結(jié)構(gòu)的型式有確切的傳力路徑，以利于結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計，并且確保施工的質(zhì)量；轉(zhuǎn)換的剛度不宜過大，在兼顧建筑物安全及經(jīng)濟的條件下，堅持宜小不宜大的原則。

二、高層建筑轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)形式及特點

1.粱式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

粱式轉(zhuǎn)換是高層建筑中實現(xiàn)垂直轉(zhuǎn)換最常用的結(jié)構(gòu)形式，主要是由上部剪力墻經(jīng)轉(zhuǎn)換梁傳力給下部柱，完成整個建筑物的使用功能。該類轉(zhuǎn)換方式傳力途徑直接、明確，構(gòu)造簡單，施工較方便有，利于工程的計算、分析，還大大的降低了成本，因此，得到了建筑行業(yè)的廣大推廣運用。

2.箱型轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

在轉(zhuǎn)換梁的截面較大時，可以在轉(zhuǎn)換梁的梁頂與梁底同時設(shè)置一層樓板，遍布全層，使得整個樓層都構(gòu)成“箱子”的形式，由此被稱之為“箱型轉(zhuǎn)換層”。箱型轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)也是高層建筑設(shè)計中比較常用地一種結(jié)構(gòu)形式。優(yōu)點是轉(zhuǎn)換梁的約束強，剛度大，整體效果好，上下部受力較均勻。缺點是它直接占用了整個樓層的面積，使得這個樓層不能再有其他用途，只能當(dāng)做設(shè)備層使用。自重大，造價高，施工復(fù)雜。

3.板式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

板式轉(zhuǎn)換層主要是應(yīng)用在轉(zhuǎn)換層上下柱網(wǎng)錯位較多、布置沒有次序的情況下，需要將轉(zhuǎn)換層設(shè)置厚板，通過厚板來傳遞豎向荷載和水平荷載下力的傳遞。優(yōu)點是：上下層豎向構(gòu)件可靈活布置，無需上下對齊，因此滿足了建筑的功能要求。也避免了豎向構(gòu)件與轉(zhuǎn)換層相交處復(fù)雜的節(jié)點構(gòu)造。缺點是傳力方式不直接、受力復(fù)雜、抗震性能差。自重較大，所消耗的材料較多，施工復(fù)雜。

4.桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

桁架主要包括空腹桁架、實腹桁架。優(yōu)點是：與梁式轉(zhuǎn)換層相比較，該轉(zhuǎn)換層質(zhì)量和剛度都相對較小，分布均勻，故結(jié)構(gòu)整體剛度的質(zhì)量和剛度突變程度要小，使結(jié)構(gòu)有較好的抗震性能。缺點是：桁架各桿件均為小偏心受力，延性較差。節(jié)點受力復(fù)雜，延性較差，因此轉(zhuǎn)換桁架的延性和耗能能力較差。由于節(jié)點受力錯綜復(fù)雜，發(fā)生剪切脆性破壞的情況較多，引起計算配筋多，給施工帶來一定的難度。因此，其應(yīng)用受到一定的限制。

5.斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

當(dāng)上下層軸線不對齊，柱子有錯位時可以用斜柱將上層柱的荷載直接傳給下柱。優(yōu)點是：豎向荷載傳力途經(jīng)直接、明確，受力合理，將上部荷載直接傳給下部承重構(gòu)件，而不需要先傳給梁，梁再傳給下部柱因此減輕了梁所受的剪力負(fù)擔(dān)，使梁的減壓比大幅減小。轉(zhuǎn)換層上、下樓層剛度比變化幅度小，所以在水平地震力作用下，可以避免結(jié)構(gòu)層間剪力和構(gòu)件內(nèi)力發(fā)生突變，有利于結(jié)構(gòu)抗震。自重輕，設(shè)計構(gòu)造簡單，施工方便。可合理利用轉(zhuǎn)換層下建筑空間。雖然斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形式有很多優(yōu)點，但是因為它技術(shù)性要求較高，要求結(jié)構(gòu)工程師和建筑師緊密配合，進行布局協(xié)調(diào)。節(jié)點處理較為復(fù)雜。

三、轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點

1.轉(zhuǎn)換層下部主體結(jié)構(gòu)的剛度分布

豎向剛度的突變是設(shè)計過程中最復(fù)雜并且無法避免的問題。在進行抗震設(shè)計時，為了保證轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)上、下層主體結(jié)構(gòu)的總抗剪切剛度達到設(shè)計的要求，一般都是采取提高下部主體結(jié)構(gòu)地豎向構(gòu)件混凝土的強度等級，加大了其截面尺寸，或增設(shè)剪力墻地方法。但是需要重要注意：

（1）增大筒體的截面尺寸將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的地震總反應(yīng)增大，在整個下部結(jié)構(gòu)的抗側(cè)總剛度中筒體所占比重會變得更大，筒體所承受地震荷載也將出現(xiàn)級數(shù)增大趨勢。因此，筒體作為抗震第一道防線，其安全性的設(shè)計應(yīng)得到更加充分的重視；

（2）通過剪力墻的增設(shè)提高抗側(cè)剛度時，須注意整體的剛度分布要均勻，盡量確保質(zhì)量中心與剛度中心重合，避免由兩者偏心導(dǎo)致建筑物的整體扭轉(zhuǎn)。

2.合理布置剪力墻對上、下剛度傳遞的影響

為使上、下兩種結(jié)構(gòu)形式的內(nèi)力能夠準(zhǔn)確的傳遞，首先須盡量避免轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)剛度的突變，可以從兩個方面解決該問題：

（1）減少上部的剛度，即盡量減少上部住宅內(nèi)所設(shè)置的剪力墻，且在滿足軸壓比要求的前提條件下盡量縮短墻肢；

（2）增大下部的剛度，在建筑的使用功能允許條件下，大空間層適當(dāng)部位可以設(shè)置適量的落地剪力墻，同時須注意其布局的對稱及均勻。

3.合理選擇轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)剛度

轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，存在轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)剛度的合理值問題。若轉(zhuǎn)換層的剛度過大，一方面，會導(dǎo)致地震的反應(yīng)及結(jié)構(gòu)的豎向剛度突然增大，使得轉(zhuǎn)換層上、下層處于更不利的受力狀態(tài)；另一方面，材料的用量將增加，降低結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性的合理程度。若轉(zhuǎn)換層的剛度過小，上方框支部分的豎向構(gòu)件和其它豎向構(gòu)件間可能會出現(xiàn)過大的沉降差，使得在上部的結(jié)構(gòu)中與該部分豎向構(gòu)件相連的水平構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生明顯的次應(yīng)力，造成其配筋的增加。這一問題在正交的主次轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)換次梁中表現(xiàn)尤為突出，此時，不僅轉(zhuǎn)換次梁的截面尺寸要慎重選用，還須確保轉(zhuǎn)換主梁有足夠的剛度，從而減小因轉(zhuǎn)換主梁撓度引起的轉(zhuǎn)換次梁支座沉降，進而減小因此導(dǎo)致的上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生的次應(yīng)力。

四、結(jié)束語

高層建筑的轉(zhuǎn)換層是建筑結(jié)構(gòu)中的重要部位，因為其轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、工程量較大，因此設(shè)計人員必須要對其建筑物的各自結(jié)構(gòu)特點進行充分的考慮，選擇其結(jié)構(gòu)型式必須配合建筑方案，然后做出合理的設(shè)計規(guī)劃，進而保證高層建筑轉(zhuǎn)換層的質(zhì)量。

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