淺談高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、淺談高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)    摘要：從城市發(fā)展規(guī)律上看，高樓興起越來(lái)越多是一個(gè)城市發(fā)展過(guò)程中的必經(jīng)階段。近年來(lái)高層建筑發(fā)展迅速，應(yīng)城市發(fā)展的需求，建筑體正朝著體型復(fù)雜、功能多樣的綜合性方向發(fā)展，因而相應(yīng)的結(jié)構(gòu)形式也復(fù)雜多樣。本文就帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑對(duì)各種轉(zhuǎn)換型式進(jìn)行評(píng)述，提出轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題，并相應(yīng)地給出概念設(shè)計(jì)的措施。 關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)換層；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；特點(diǎn)；注意事項(xiàng) Abstract: The laws of urban development from the point of view, the rise of high-rise m

2、ore and more a necessary stage in a process of urban development. In recent years the rapid development of high-rise buildings, the demand for urban development, building the body is moving in the body complex, feature-rich comprehensive direction, and thus the corresponding form of the structure of

3、 the complex and diverse. In this paper, high-rise building with a conversion layer on a variety of conversion type is reviewed proposed conversion layer structure design should pay attention to several issues and, accordingly, given the measures of the concept design. Keywords: conversion layer; st

4、ructural design; characteristics; Note 中圖分類號(hào)：TU97文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： 一、概括轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的幾種型式及其設(shè)計(jì)特點(diǎn) 目前高層建筑的發(fā)展趨勢(shì)，既集吃、住、辦公、娛樂(lè)、購(gòu)物、停車等多功能為一體的綜合型建筑。但由于空間功能的復(fù)雜化，使得建筑結(jié)構(gòu)也隨之變化。為了適應(yīng)上部小空間下部大空間的功能需要，需在兩種結(jié)構(gòu)的交接部位設(shè)置過(guò)渡結(jié)構(gòu)，也就是所謂的轉(zhuǎn)換層。因高層建筑結(jié)構(gòu)的多樣性，也呈現(xiàn)多種形式： 1.1 轉(zhuǎn)換層形式一：板式轉(zhuǎn)換 整體來(lái)講，板式轉(zhuǎn)換的力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均較差。當(dāng)上下軸網(wǎng)變化但仍正交時(shí)，可采用正交主次轉(zhuǎn)換梁的結(jié)構(gòu)型式來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。板式轉(zhuǎn)換最大的

5、優(yōu)點(diǎn)是可以在轉(zhuǎn)換層以上隨意布置結(jié)構(gòu)型式和軸網(wǎng)，特別適用于建筑物上下部軸網(wǎng)錯(cuò)位復(fù)雜甚至互不正交的情況。由于抗剪和抗沖切的需要，轉(zhuǎn)換板厚一般在2M以上，這一方面造成轉(zhuǎn)換層質(zhì)量和剛度的突變，在地震作用時(shí)結(jié)構(gòu)反應(yīng)增大，轉(zhuǎn)換層上下相鄰層更成為結(jié)構(gòu)薄弱層，不利于建筑物抗震；另一方面由于自重和地震作用的增加，下部豎向構(gòu)件的荷載明顯增大，設(shè)計(jì)難度大。 1.2 轉(zhuǎn)換層形式二：梁式轉(zhuǎn)換 實(shí)際工程中，轉(zhuǎn)換層常兼作設(shè)備層，轉(zhuǎn)換梁腹部要開(kāi)設(shè)洞口以便設(shè)備管道的通過(guò)，因此轉(zhuǎn)換梁的計(jì)算模型可根據(jù)開(kāi)洞與否以及洞口的相對(duì)大小分別取為實(shí)腹梁、開(kāi)孔梁、雙梁和空腹桁架等。梁式轉(zhuǎn)換具有傳力路徑清晰快捷，施工方便，構(gòu)造簡(jiǎn)單，工作可靠等特點(diǎn)

6、，轉(zhuǎn)換梁的截面尺寸主要由其抗剪承載力決定，但可通過(guò)加腋或采用鋼骨混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土等方法來(lái)減小截面尺寸。在進(jìn)行轉(zhuǎn)換梁設(shè)計(jì)時(shí)，要特別注意對(duì)轉(zhuǎn)換大梁與上部結(jié)構(gòu)共同工作程度的分析。 1.3 轉(zhuǎn)換層形式三：桁架轉(zhuǎn)換 桁架分為空腹桁架與實(shí)腹桁架兩種。桁架轉(zhuǎn)換層與梁式轉(zhuǎn)換相比，受力狀態(tài)更明確，可使用空間更大，自重小，抗震性能好，但其節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)難度大，“強(qiáng)斜腹桿、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”是桁架轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)的基本原則，而節(jié)點(diǎn)的受力狀態(tài)復(fù)雜，容易發(fā)生剪切脆性破壞，造成計(jì)算配筋多，施工不便，限制了桁架轉(zhuǎn)換的應(yīng)用。 1.4 其它轉(zhuǎn)換型式 其它轉(zhuǎn)換型式包括： 巨型框架它由豎向筒體或巨型柱與一道或多道大梁組成，具有良好的抗震性能，是目前

7、國(guó)內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展的一個(gè)重要方向。巨型框架要采用模擬施工過(guò)程的設(shè)計(jì)方法，在未形成巨型結(jié)構(gòu)之前應(yīng)合理地解決臨時(shí)支撐和保證足夠的抗側(cè)剛度；巨型梁以下幾層范圍內(nèi)的柱內(nèi)存在拉應(yīng)力，應(yīng)按受拉構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)。 斜柱轉(zhuǎn)換式可以較好地發(fā)揮混凝土的受壓性能，形成更多更好利用的建筑空間。斜柱轉(zhuǎn)換中會(huì)產(chǎn)生較大的水平荷載，在實(shí)際工程中可以結(jié)合建筑物的平面布置，通過(guò)加設(shè)圈梁或拉梁，使其以最短的路徑相互平衡，轉(zhuǎn)換斜柱盡可能通過(guò)較多的樓層，以減小其在上下樓層產(chǎn)生的水平力，使轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)更加方便。 二、高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的概念：指在整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)體系中，合理解決豎向結(jié)構(gòu)的突變性轉(zhuǎn)化和平面的連續(xù)性變化的結(jié)構(gòu)單元體

8、系，為了滿足城市建筑功能的要求,那么結(jié)構(gòu)必須以與常規(guī)方式相反進(jìn)行布置，上部小空間，布置剛度大的剪力墻，下部大空間,布置剛度小的框架柱。轉(zhuǎn)換層的設(shè)置造成建筑物豎向剛度的突變，地震作用時(shí)在轉(zhuǎn)換層上下容易形成薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震不利，所以在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)遵循以下原則： （1）布置轉(zhuǎn)換層上下主體豎向結(jié)構(gòu)時(shí),注意使盡可能多的上部豎向結(jié)構(gòu)能向下落地連續(xù)貫通,尤其框架核心筒結(jié)構(gòu)中核心筒應(yīng)上下貫通. （2）弱化上部，強(qiáng)化下部，抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證轉(zhuǎn)換層上、下部主體結(jié)構(gòu)的總剪切剛度比值滿足下式 ：式中： 分別為轉(zhuǎn)換層上部第I 樓層、下部第J 樓層的主體豎向結(jié)構(gòu)總剪切剛度。 （3）盡可能減少需結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的豎向構(gòu)件，

9、直接落地的豎向構(gòu)件越多，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)越少，轉(zhuǎn)換層造成的剛度突變就越小，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震更有利。 （4）優(yōu)化轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。選擇具有明確傳力路徑的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)型式，以便于結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)和保證施工質(zhì)量。 （5） 將轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)作為整體結(jié)構(gòu)中一個(gè)重要組成部分采用符合實(shí)際受力變形狀態(tài)的計(jì)算模型進(jìn)行三維空間整體結(jié)構(gòu)計(jì)算分析.必要時(shí)可采用有限元方法對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部補(bǔ)充計(jì)算。 三、轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題 3.1與建筑專業(yè)的相配合 為了滿足建筑的需要，因此高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)型式的選擇必須與建筑相互配合。 （1）轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)型式的選擇應(yīng)與建筑外觀相結(jié)合，如巨型框架、拱式轉(zhuǎn)換等型式不僅具有良好的受力性能，而且能滿足該類型建筑外觀

10、的要求； （2）轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)必須服從于建筑功能的實(shí)現(xiàn)，實(shí)際工程中常常將設(shè)備層兼作轉(zhuǎn)換層，此時(shí)轉(zhuǎn)換層中要有足夠的空間讓設(shè)備管道通過(guò)，當(dāng)洞口尺寸超出開(kāi)孔梁允許范圍時(shí)，宜用實(shí)腹或空腹桁架代替梁式轉(zhuǎn)換。 3.2 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)剛度的合理選擇 在進(jìn)行轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，存在著轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)剛度合理值的問(wèn)題。當(dāng)轉(zhuǎn)換層剛度過(guò)大時(shí)，一方面引起地震反應(yīng)和結(jié)構(gòu)豎向剛度的突然增大，使轉(zhuǎn)換層上下層處于更加不利的受力狀態(tài)，另一方面材料用量增加，結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性不合理。當(dāng)轉(zhuǎn)換層剛度過(guò)小時(shí)，上部框支部分的豎向構(gòu)件與其它豎向構(gòu)件之間可能出現(xiàn)較大的沉降差，從而在上部結(jié)構(gòu)中與該部分豎向構(gòu)件相連的水平構(gòu)件中產(chǎn)生明顯的次應(yīng)力，導(dǎo)致其配筋增加。 3.3

11、 轉(zhuǎn)換層下部主體結(jié)構(gòu)的剛度分布 對(duì)于轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)：豎向剛度突變也是最復(fù)雜的問(wèn)題，是不可避免的。為了保證轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)上下層主體結(jié)構(gòu)的總剪切剛度滿足要求，抗震設(shè)計(jì)時(shí)，常常要采用加大轉(zhuǎn)換層下部主體結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件截面尺寸、提高其混凝土強(qiáng)度等級(jí)、增設(shè)剪力墻等方法。 3.4 逆向轉(zhuǎn)換 逆向轉(zhuǎn)換是一種轉(zhuǎn)換層類似倒置的常規(guī)轉(zhuǎn)換層特殊的結(jié)構(gòu)，故稱為逆向轉(zhuǎn)換層。斜柱轉(zhuǎn)換和桁架轉(zhuǎn)換傳力路徑明確，剛度較小，最適用于逆向轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，在工程中可結(jié)合實(shí)際情況選用。當(dāng)建筑物外觀或使用功能要求柱網(wǎng)上疏下密時(shí)，下部柱網(wǎng)中由于各柱承受荷載的差異導(dǎo)致相互間的豎向壓縮位移差，在下部結(jié)構(gòu)的水平構(gòu)件中產(chǎn)生較大的次應(yīng)力。為了避免由此引起的結(jié)構(gòu)問(wèn)題，在柱網(wǎng)發(fā)生變化處必須設(shè)置轉(zhuǎn)換層，以調(diào)整下部柱網(wǎng)中各柱的荷載趨于均勻。 四、注意事項(xiàng) 4.1 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層型式多且各具特點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際情況加以選用，對(duì)于復(fù)雜工程可采用多個(gè)方案綜合比較和選用的方法。 4.2 注重轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)，合理的結(jié)構(gòu)平面和豎向布置可以從整體上形成良好的抗震體系，保證建筑物的安全性和經(jīng)濟(jì)性。 4.3在框架,框架或短肢剪力墻,框架的正交主次轉(zhuǎn)換梁式轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)中，應(yīng)注意選擇適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換梁剛度，減小由于轉(zhuǎn)換次梁的支座沉降引起