摘要：高層建筑功能和形式日益多樣化，當(dāng)多功能綜合大樓要求一棟建筑物的上部(中部)和下部使用功能不同時(shí)，結(jié)構(gòu)布置也要相應(yīng)改變，要設(shè)置轉(zhuǎn)換構(gòu)件銜接上下結(jié)構(gòu)，傳遞內(nèi)力，設(shè)置轉(zhuǎn)換構(gòu)件的樓層稱為轉(zhuǎn)換層。文章就高位轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和抗震性能作以分析。
　　關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，高位轉(zhuǎn)換層，受力，抗震
　　
　　前言
　　20世紀(jì)80年代以來(lái)，高層建筑發(fā)展迅速。建筑向體型復(fù)雜、功能多樣的綜合性方向發(fā)展。由于建筑功能的需要，框支剪力墻結(jié)構(gòu)在高層建筑中大量應(yīng)用，下部布置剛度小的框架柱以獲得大空間作為商場(chǎng)、餐館、文化娛樂場(chǎng)所；上部布置剛度大的剪力墻形成小空間作為住宅、旅館或辦公用房。有的轉(zhuǎn)換層位置較高，一般在3～6層，有的位于7～10層，甚至更高。在現(xiàn)代高層建筑中，轉(zhuǎn)換層的應(yīng)用愈來(lái)愈多，與加強(qiáng)層一樣，它增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。
　　1轉(zhuǎn)換層類型
　　高層建筑的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)一般可分為四種基本結(jié)構(gòu)形式即：梁式、桁架式(含桁架、空腹桁架)、箱形、厚板式，如圖1所示，此外還有連續(xù)拱、過渡層、合并柱轉(zhuǎn)換等。
　　                  
　　圖1（轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的幾種基本形式）
　　1.1梁式轉(zhuǎn)換
　　底層柱距擴(kuò)大后，采用轉(zhuǎn)換梁來(lái)承托上部密排柱傳來(lái)的豎向荷載。轉(zhuǎn)換梁的截面尺寸根據(jù)上下柱距和荷載大小而定，有時(shí)截面高度可達(dá)一層樓高。有時(shí)也采用預(yù)應(yīng)力大梁。應(yīng)用于框支剪力墻結(jié)構(gòu)上的梁式轉(zhuǎn)換層最早，對(duì)其展開的研究也較多，理論相對(duì)成熟。通過比較多的工程研究，人們一致認(rèn)為梁式轉(zhuǎn)換層這種結(jié)構(gòu)形式受力明確，設(shè)計(jì)和施工相對(duì)簡(jiǎn)單，同時(shí)在轉(zhuǎn)換梁受力較小部位可以開設(shè)合適的洞口，容易滿足建筑功能和設(shè)備管道線布置的要求，因此，在近些年的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用最為廣泛。
　　1.2桁架式轉(zhuǎn)換(含桁架、空腹桁架)
　　桁架具有剛度大、自重輕、并能跨越較大跨度的特點(diǎn)。在底層出入口處，利用轉(zhuǎn)換桁架來(lái)代換實(shí)腹的轉(zhuǎn)換梁，可以取得較好的經(jīng)濟(jì)效果，管道穿行較為方便而且還可以采光。
　　1.3箱形轉(zhuǎn)換
　　箱形轉(zhuǎn)換是通過一整層來(lái)達(dá)到具有較大剛度和承載力的一種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，實(shí)際上也是由梁式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層變化而來(lái)。在這一轉(zhuǎn)換層中，樓層上下面的同一軸線上均設(shè)一道大梁，梁間是鋼筋混凝土墻，構(gòu)成類似于桁架的大型組合梁結(jié)構(gòu)。縱橫兩向的組合梁交叉成梁格，大部分交叉處有底層通上來(lái)的柱子，底板和頂板都是鋼筋混凝土厚板，這樣便形成一個(gè)箱形剛性層。在該層的腹板中可以選擇適當(dāng)位置開設(shè)管道和人通行孔洞。由于箱形轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)完整并且具有較大剛度，上層的剪力墻與箱形轉(zhuǎn)換層相當(dāng)于一個(gè)結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)構(gòu)件彼此之間受力關(guān)系清楚，從某種程度上講，上部剪力墻結(jié)構(gòu)的受力狀況與坐落在箱形基礎(chǔ)上的純剪力墻結(jié)構(gòu)相似。因此，過渡層上的剪力墻不像框支剪力墻結(jié)構(gòu)那樣應(yīng)力復(fù)雜，這就在一定程度上解決了框支剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻開洞要求與洞口限制之間的矛盾。但箱形轉(zhuǎn)換層自身剛度較大，大空間的底層或下部幾層的結(jié)構(gòu)平面需進(jìn)行合理布置，保持一定的剛度，避免在抵抗水平力時(shí)因底層剛度削弱產(chǎn)生較大相對(duì)位移而造成破壞。
　　1.4厚板轉(zhuǎn)換
　　厚板結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層通常用于上下層既有結(jié)構(gòu)類型的改變又有柱網(wǎng)、軸線變化的情況。對(duì)于體型復(fù)雜的商住樓，特別是多塔樓體系，上部住宅單元剪力墻布置很不規(guī)則，而下部商場(chǎng)要求規(guī)則大柱網(wǎng)，難以布置轉(zhuǎn)換梁和桁架，采用厚板轉(zhuǎn)換層成為一種較好選擇。整個(gè)轉(zhuǎn)換層是一塊厚達(dá)2.0～3.0m的實(shí)心鋼筋混凝土承重板。有的厚板轉(zhuǎn)換層在一定部位也設(shè)有暗梁，以滿足上部結(jié)構(gòu)的變化要求。作為一種新型的轉(zhuǎn)換層，厚板結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層可以使建筑物上下部的墻、柱軸線不受任何限制，從而更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)高層建筑多功能的要求，但從結(jié)構(gòu)上講，這是一種對(duì)抗震極為不利的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系。厚板的重量達(dá)數(shù)千噸以至上萬(wàn)噸，它相當(dāng)于上部結(jié)構(gòu)的“基礎(chǔ)”，但“基礎(chǔ)”又支撐在有側(cè)移的“軟弱底層”上，這樣大的質(zhì)量集中在建筑物的中部，振動(dòng)性能極為復(fù)雜，加之該層剛度非常大，下層剛度又很小，容易產(chǎn)生底部變形集中和震害。
　　1.5連續(xù)拱
　　鋼筋混凝土具有承載力大和跨度大的特點(diǎn)，如果能與建筑立面處理相協(xié)調(diào)，底層也可采用連續(xù)拱來(lái)擴(kuò)大凈空。不過，在結(jié)構(gòu)上必須處理好邊跨拱的巨大推力。
　　1.6過渡層
　　前面幾種處理方案都使框筒的樓層抗推剛度在底層發(fā)生突變，應(yīng)用于地震區(qū)的高樓結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)引起變性集中等不利影響。如果采用調(diào)整柱的截面和高度，使框筒的樓層抗推剛度逐步變化，將會(huì)在地震反應(yīng)上取得較好的效果。
　　2轉(zhuǎn)換層力學(xué)特性及其影響因素分析
　　近年來(lái)，由于建筑功能多樣化的要求，不僅在底層和少數(shù)層布置大空間，還要求設(shè)計(jì)多層大空間(大于3層)，也就是所謂的“高位轉(zhuǎn)換”，在底部多層大空間結(jié)構(gòu)中要求全部落地剪力墻在轉(zhuǎn)換層以下都不屈服是不經(jīng)濟(jì)的，也是不恰當(dāng)?shù)摹Ｒ虼耍瑢?duì)于底部大空間結(jié)構(gòu)的“底位”和“高位”轉(zhuǎn)換，就應(yīng)當(dāng)采取不同的設(shè)計(jì)措施。
　　2.1轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度的影響
　　采用彈性時(shí)程分析方法，其他條件不變，轉(zhuǎn)換層設(shè)在結(jié)構(gòu)的3、5、7、9、11、13層時(shí)(剛度比=1．56)，結(jié)構(gòu)周期的變化如圖2(a)所示，結(jié)構(gòu)的總體__結(jié)構(gòu)沿層間側(cè)移包線、豎向各層側(cè)移包線、層間側(cè)移角包線比較如圖2(b)、圖2(c)、圖2(d)所示。可以看出：
　　
　　a～結(jié)構(gòu)周期的變化；b一層間側(cè)移的比較；
　　c一各層側(cè)移比較；d一層間側(cè)移角的比較
　　1一轉(zhuǎn)換層在3層；2～轉(zhuǎn)換層在5層；3一轉(zhuǎn)換層在7層；
　　4一轉(zhuǎn)換層在9層；5一轉(zhuǎn)換層在i1層；6一轉(zhuǎn)換層在13層
　　(1)隨著轉(zhuǎn)換層位置的提高，結(jié)構(gòu)周期變長(zhǎng)。
　　結(jié)構(gòu)自振周期變化的原因有二，第一，轉(zhuǎn)換層設(shè)置位置增高由于下部大空間的要求，下部幾層層高比較大，結(jié)構(gòu)的總高度變大，使結(jié)構(gòu)的柔度增大，從而使結(jié)構(gòu)的自振周期變大；第二，框支剪力墻結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)換層以下由于剪力墻數(shù)量減少，使結(jié)構(gòu)的剛度減小，從而使整個(gè)結(jié)構(gòu)變?nèi)幔瑢?dǎo)致結(jié)構(gòu)周期變長(zhǎng)。
　　(2)結(jié)構(gòu)的層側(cè)移、層間側(cè)移、層間側(cè)移角在轉(zhuǎn)換層的位置均有突變。
　　(3)當(dāng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層設(shè)置位置較低時(shí)，結(jié)構(gòu)的最大層間側(cè)移并不在轉(zhuǎn)換層位置，而當(dāng)轉(zhuǎn)換層設(shè)置位置較高時(shí)，轉(zhuǎn)換層的層間側(cè)移即為結(jié)構(gòu)的最大層間側(cè)移。
　　(4)轉(zhuǎn)換層設(shè)在結(jié)構(gòu)的3、5、7、9、11、13層時(shí)，結(jié)構(gòu)的最大層間側(cè)移角分別為1/1227，1/1149，1/1116，1/1421，1/1606，1/2015，均在規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)，且最大層間側(cè)移角均不在轉(zhuǎn)換層，雖然最大層間側(cè)移有的在轉(zhuǎn)換層，但由于轉(zhuǎn)換層層高比上部住宅層高大，其層間側(cè)移角并不是最大。
　　(5)比較轉(zhuǎn)換層設(shè)在結(jié)構(gòu)的3、5、7、9、11、13層時(shí)最大側(cè)移、最大層間側(cè)移、最大層間側(cè)移角可知，當(dāng)轉(zhuǎn)換層設(shè)在7層時(shí)，其值都比設(shè)在其他層要大，轉(zhuǎn)換層設(shè)置位置由7層往上或往下，其值都逐漸減小，這說(shuō)明轉(zhuǎn)換層設(shè)置在結(jié)構(gòu)的中間位置較為不利。
　　2.2轉(zhuǎn)換層減震措施
　　在實(shí)際工程中，高位轉(zhuǎn)換短肢剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)除遵循一般原則外，還應(yīng)重視概念設(shè)計(jì)和構(gòu)造措施，必要時(shí)可考慮采用安裝消能減震(阻尼器)裝置，當(dāng)轉(zhuǎn)換層下一層為架空時(shí)更有利于采用。轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)宜采用梁式，以直接承托上部短肢剪力墻結(jié)構(gòu)為佳，避免或慎用二級(jí)轉(zhuǎn)換；上部短肢剪力墻盡可能布置于轉(zhuǎn)換梁支座處，不使轉(zhuǎn)換梁跨中承受大的集中荷載；轉(zhuǎn)換層的剛度通常很大，自重亦大，地震反應(yīng)大，除強(qiáng)度設(shè)計(jì)外，應(yīng)重視其延性設(shè)計(jì)；試驗(yàn)研究表明，受轉(zhuǎn)換層影響，轉(zhuǎn)換層以上1—2層較轉(zhuǎn)換層以下的各層的震害嚴(yán)重，是抗震設(shè)計(jì)的重點(diǎn)部位，這些部位的主要抗側(cè)力構(gòu)件宜適當(dāng)增大截面尺寸和提高配筋指標(biāo)。
　　3結(jié)束語(yǔ)
　　目前文獻(xiàn)資料的一些研究都是針對(duì)一些具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行的，雖然每個(gè)結(jié)構(gòu)都具有一定的代表性，也得到一些共性，可提供一些設(shè)計(jì)概念，說(shuō)明高位轉(zhuǎn)換是可行的，但是由于結(jié)構(gòu)布置不同，有些結(jié)果還是有差別，特別是由于剛度，質(zhì)量沿高度分布不均勻的程度，構(gòu)件加強(qiáng)措施是否得當(dāng)，均會(huì)引起變形，內(nèi)力分配以及彈塑性地震反應(yīng)的變化；類似結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究也還不多，因此，對(duì)于高位轉(zhuǎn)換的底部大空間剪力墻結(jié)構(gòu)這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，可以做，但應(yīng)當(dāng)慎重設(shè)計(jì)。
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