基于高層轉換層結構設計的探討

基于高層轉換層結構設計的探討

白瑞白麗娟

摘要：文章主要分析了高層建筑中轉換層結構的幾種常用做法以及轉換層結構在高層建筑中的布置原則，探討高層建筑中轉換層結構的應用和發(fā)展的趨勢，提出高層建筑轉換層結構設計中經(jīng)常注意的一些問題。關鍵詞：高層建筑；轉換層結構；結構設計；1引言

由于轉換層質量及剛度集中，給結構動力分析帶來不利影響，使轉換層處地震力集中，上下層內力集中，層位移增大，轉換層從力學分析來看，有相當難度，這是目前高層建筑結構設計中最關心的熱點�，F(xiàn)代高層建筑的趨勢是向多功能、綜合多用途發(fā)展，在同一豎直線上頂部樓層布置住宅、旅館，中部樓層作為辦公室，下部樓層作為商場、餐飲文化娛樂室。為了滿足建筑功能上的要求，上部需要小開間的軸線布置，需要較多的墻體，以滿足旅館及住宅的要求；中部辦公室需要較小或中等大小的開間，可以在柱網(wǎng)中布置一定數(shù)量的墻體來實現(xiàn)；下部則希望有盡可能大的空間，柱網(wǎng)要大墻體要盡量少。由此可見，這種布置上部剛度大下部剛度小，與高層建筑結構合理布置有矛盾為了解決這種矛盾，必須在高層建筑結構變化處設置轉換層，以保證結構經(jīng)濟合理及安全可靠。2轉換層的定義和類型

因建筑物功能的需要，上部需要小開間的軸線布置，需要較多的墻體；下部則希望有盡可能大的空間，柱網(wǎng)要大，墻體要盡量少。因而，上部部分豎向桿件不能直接連續(xù)貫通落地。而通過水平轉換結構與下部豎向桿件連接，這樣構成的高層建筑稱為帶轉換層的高層建筑結構。

(1)上、下層結構類型的改變

該結構形式是目前高層建筑中實現(xiàn)垂直轉換最常用的結構形式，由于其傳力途徑采用墻(柱)轉換梁柱(墻)的形式，具有傳力直接、明確和清楚的優(yōu)點，便于工程計算、分析和設置轉換層將上部剪力墻轉換為下部的框架。這種轉換層多用于剪力墻和框架一剪力墻結構中，以獲得較大的內部自由空間。

(2)上、下層結構柱網(wǎng)和軸線的改變

轉換層上、下的結構形式未改變，通過轉換層能使下部結構的柱距擴大，形成大柱網(wǎng)。這種形式常用于外框筒的下層以形成較大的出人口。

(3)同時改變上、下層結構類型和柱網(wǎng)

上部剪力墻結構通過轉換層改變?yōu)榭蛑Ъ袅�墻結構的同時，下部柱網(wǎng)與上部剪力墻的軸線錯開，形成上、下柱網(wǎng)不對齊的布置。3轉換層的結構設計方法

高層建筑轉換結構一般可分為4種基本結構形式，即：梁式轉換結構(包括托梁和雙向梁格)、桁架轉換結構(包括空腹桁架)、箱型轉換結構、厚板轉換結構。

3.1梁式轉換結構

梁式轉換計，且造價較節(jié)省。所以梁式轉換層結構在實際工程中應用較廣。實際工程中轉換梁的結構形式有多種多樣，從一轉換梁功能上，可分為托墻和托柱；從轉換梁形式上，可分為加腋和不加腋；從轉換梁結構采用材料上，又可分為鋼筋混凝土、預應力混凝土、鋼骨混凝土和鋼結構等。轉換梁主要承受豎向荷載，受力特征主要表現(xiàn)為在豎向荷載作用下的受力規(guī)律為研究上部墻體對轉換梁受力特征的影響，采用有限元分析程序對不同結構形式轉換梁的受力特征進行分析。根據(jù)一些工程實例的計算結果分析可見，計算模型的選取與轉換梁的跨度有關。當轉換梁的跨度較大時，上部墻體的層數(shù)考慮取多些當轉換梁的跨度較小時，上部墻體的層數(shù)可適當取少些。實際工程中轉換梁的常用跨度為612m而高層建筑結構標準層常用層高為2.8～3.2m。在此跨度和層高范圍內，對上部托墻形式的梁式轉換層，轉換梁內力有限元分析取其上部墻體3～4層，視這部分墻體連同轉換梁組成的倒T型深梁與下部一層結構進行內力分析，計算精度滿足設計要求。

3.1.1托柱形式轉換梁截面設計

當轉換梁承托上部普通框架時，在轉換梁常用截面尺寸范圍內，轉換梁的受力基本和普通梁相同，可按普通梁截面設計方法進行配筋計算；當轉換梁承托上部斜桿框架時，轉換梁將承受軸向拉力，此時應按偏心受拉構件進行截面設計。3.1.2托墻形式轉換梁截面設計

當轉換梁承托上部墻體滿跨不開洞時，轉換梁與上部墻體共同工作，其受力特征與破壞形態(tài)表現(xiàn)為深梁，此時轉換梁截面設計方法宜采用深梁截面設計方法或應力截面設計方法，且計算的縱向鋼筋應沿全梁高適當分布配置。由于此時轉換梁跨中較大范圍內的內力比較大，故底部縱向鋼筋不宜截斷和彎起，應全部伸人支座。當轉換梁承托上部墻體滿跨且開較多門窗洞或不滿跨但剪力墻的長度較大時，轉換梁截面設計方法也宜采用深梁截面設計方法或應力截面設計方法，縱向鋼筋的布置則沿梁下部適當分布配置，且底部縱向鋼筋不宜截斷和彎起，應全部伸入支座。當轉換梁承托上部墻體為小墻肢時，轉換梁基本上可按普通梁的截面設計方法進行配筋計算，縱向鋼筋可按普通梁集中布置在轉換梁的底部。轉換梁的結構形式有很多種，目前高層建筑轉換層結構的實際工程應用也很多。一般而言，高層建筑轉換層結構的分析必須按施工模擬，使用各階段及施工實際支撐情況分別進行計算，以反映結構內力和變形的真實情況。施工過程中的力學問題應引起設計人員和施工人員的高度重視。3.2桁架轉換結構

桁架式轉換結構是由梁式結構轉換層變化而來的整個轉換層由多榀鋼筋混凝土桁架組成承重結構，桁架的上下弦桿分別設在轉換層的上下樓面的結構層內，層間設有腹桿。由于桁架高度較高所以下弦桿的截面尺寸相對較小。桁架分為空腹桁架和實腹桁架2種，它可以是鋼桁架，也可以是鋼筋混凝土桁架，在鋼筋混凝土高層結構中常用鋼筋混凝土桁架。與梁式轉換層相比，它的整體性好，受力性更加明確，自重較小而抗震性能好，而且便于管道的安裝與維護等，但在施工上比較復雜，在設計上表現(xiàn)為節(jié)點的設計難度較大�！皬娦备箺U，強節(jié)點”是桁架轉換層的基本設計原則，而節(jié)點的受力復雜，容易發(fā)生剪切破壞，造成配筋過多。桁架轉換式通常要求高度在3m以上，否則斜壓桿件易形成超短柱，地震作用下容易產生脆性破壞。

桁架式轉換結構可以采用ANSYS和TAT來進行整體結構的內力分析，除應滿足結構整體的位移、變形、抗傾覆、周期等要求外，還應滿足(JGJ3201*){高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》中附錄E中規(guī)定的轉換層上下結構側向剛度比的要求。相對其他結構形式轉換層而言，桁架轉換層比梁式轉換層和厚轉換層在受力上更加合理，在轉換層位置受到的剪力和彎矩就比較小，有利于構件截面尺寸的控制，不會造成很大的剛度集中在地震作用下，不會造成應力的集中，有利于結構抗震。其次在桁架轉換層上部的結構所受到的剪力和彎矩相對其他的轉換層結構來說也較小，其受力受下部轉換層的影響較小，比較合理。由于桁架轉換層的重量相對其他轉換層的重量要小，從而減小了下部框架柱的抗壓負荷。3.3箱型轉換結構

該結構形式即單向托梁、雙向托梁連同上下層較厚的樓板共同工作，可以形成剛度很大的箱形轉換層。它的優(yōu)點是轉換層本身的整體性很好，當轉換層上部結構布置較復雜時，仍能夠保證上下豎向構件的有效傳力。但從建筑上來看，它直接占用了整個樓層的使用面積，使得該樓層通常只能作為設備層使用。同時，轉換層內部的剪力墻與設備布置、管線布置常常發(fā)生沖突。其缺點是自重大、造價高等。從結構分析角度考慮，其內力分析復雜、結構設計及施工難度都較大，因此在實際工程中應用較少。3.4厚板轉換結構

該結構形式用于當上、下柱網(wǎng)軸線錯開較多難以用梁直接承托時，則需要做成厚板，形成板式承臺式轉換層。板式轉換層的下層柱網(wǎng)可以靈活布置、無須與下層結構對齊。但有如下缺點：自重很大，材料耗用較多。厚板式轉換層的剛度很大，可以視為剛性轉換層。板式轉換層一方面給上部結構的布置帶來方便，另一方面也使板的傳力變得不清楚，因而受力也非常模糊，結構計算相對困難，采用有限元計算時計算結果繁雜，給配筋設計帶來不便。另外從受力角度考慮，往往需要在柱與柱、柱與墻之間配筋加強，相當于設置暗梁，增加配筋量。從抗剪和抗沖切的角度考慮，轉換板的厚度往往很大，這樣的厚板一方面自重很大，增加了對下部垂直構件的承載力的設計要求；另一方面，本層的混凝土用量也很大，不經(jīng)濟。厚板集中了很大的剛度和質量，在地震作用下，地震反應強烈，不僅板本身受力很大，而且由于沿豎向剛度突然變化，相鄰上下層受到很大的作用力，容易發(fā)生震害。以往的模型震動臺試驗研究表明，厚板的上下相鄰層結構出現(xiàn)明顯的裂縫和混凝土剝落。另外，試驗還表明，在豎向荷載和地震力共同作用下，板不僅發(fā)生沖切破壞，還可能產生剪切破壞板內必須三向配筋。

下面就介紹厚板轉換層設計方法：

帶厚板轉換層的高層建筑可采用三維空間分析程序(如TBSA，SATWE，TAT等)進行整體結構的內力分析。厚板的內力分析：轉換板邊界形狀不規(guī)則，荷載分布和支撐條件較為復雜，一般需采用有限單元法進行詳細應力分析�？刹捎肞KPM系列軟件中復雜樓板有限元分析軟件計算。該程序有良好的前后處理功能，能自動地從整體分析程序中取出內力作為荷載，自動劃分網(wǎng)格和編號，計算應力后可自動進行內力計算、內力組合、配筋計算�？梢赃M行板在豎向荷載作用下的受彎、受剪受沖切和局部受壓的計算，可以計算板在水平方向面內的剪力與彎矩。4結語

由于帶轉換層的高層建筑結構設計理論方法還不完善，因此在進行帶轉換層高層建筑結構的設計時應該注意以下幾個問題：

(1)轉換層下部結構不應成為薄弱層，避免樓層承載力突變。

(2)應使轉換層上部結構抗側剛度接近下部結構抗側剛度，不發(fā)生轉換層上、下剛度突變。

(3)若底部轉換層位置越高，則轉換層上、下剛度突變越大，轉換層上、下內力傳遞途徑的突變加�。蝗艮D換層位置越高，則落地剪力墻或墻體容易出現(xiàn)受彎裂縫，從而使框支柱的內力增大，轉換層上部附近的墻體易破壞；若轉換層位置越高，則對結構抗震不利。參考文獻

[1]秦榮．高層與超高層建筑結構[M]．北京：科學出版社．201*．

[2]唐興榮．高層建筑轉換層結構設計與施工[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999．

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高層建筑轉換層結構設計的探討

摘要：隨著我國建筑建設技術水平的不斷提升，高層建筑成為了當前建筑建設的主要對象，而設計人員在當前對高層建筑進行設計的過程中，開始面臨越來越多的轉換層的問題。轉換層的存在，加大了高層建筑空間結構設計的復雜性，設計人員必須立足于轉換層的具體特點，實施針對性的結構設計，才能避免建筑建設問題的呈現(xiàn)。本文便是以高層建筑中的轉換層為主題，通過探討其轉換層的相關含義、類型、設計原則等，著重討論了優(yōu)化其結構設計的幾點策略。

關鍵詞：高層建筑；轉換層；結構設計；優(yōu)化策略中圖分類號：[tu208.3]文獻標識碼：a文章編號：

近年來，高層建筑建設在城市中的發(fā)展勢頭日益強盛，人們對于高層建筑的功能要求也逐漸地趨于多樣化，辦公樓層、商店、居民區(qū)等混雜在統(tǒng)一棟樓上，這就為不同樓層的空間結構提出了不同的需求，設計人員必須為建筑加設轉換層方能同時滿足各部門使用群體的要求。而轉換層的設計較為復雜，非常容易出現(xiàn)質量問題，因此，設計人員在進行設計的過程中，必須充分把握轉換層的類型與特點，以采取適當?shù)慕Y構設計方式，充分注重設計工作的重點與難點，以推動其設計目標的達成。

一、高層建筑中轉換層結構相關問題概述1、含義高層建筑結構具有上部樓層受力小而上部樓層受力大的特點，設計人員普遍會提高下部結構的剛度以及墻、梁、柱等的數(shù)量，并在樓層逐漸升高的過程中，減少設計中的墻、柱結構應用，繼而使建筑形成穩(wěn)固的結構支撐柱網(wǎng)，這就決定高層建筑的下部結構空間要大于上部結構的空間，此種設計與常規(guī)建筑結構設計方案恰好相反，設計人員必須在空間結構轉變的樓層加設水平的轉換構件，才能保證設計目標的達成，此種結構設計即為高層建筑的轉換層。2、形式

目前，高層建筑中轉換層的設計，主要采取箱、梁、板、柱、桁架、框架這幾種結構形式，各種結構形式在設計中存在著顯著的差別，這些差別便是設計者在進行結構設計時，必須遵從的前提與依據(jù)。本文下面就對箱、梁、板以及框架幾種結構加以分析：1）梁式轉換結構（如下圖一所示托梁與雙向梁）常用于垂直轉換施工，它以上部墻到轉換梁再到下部柱的途徑傳遞受力，傳遞路徑直接順暢，便于進行受力計算以及工程分析，高度大致為0.8m-6.0m，造價比較低。箱式結構（如下圖二所示）是在單項和雙向的托梁配合的基礎上，再與上層和下層樓板共同澆筑而成結構，具有較高的剛度。圖一圖二

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