摘要：本文分析了高層建筑中轉(zhuǎn)換層的定義和功能，介紹了不同類型轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。探討了高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)中應注意的幾個問題。
　　關(guān)鍵詞：高層建筑；轉(zhuǎn)換層；結(jié)構(gòu)設(shè)計
　　一、轉(zhuǎn)換層的定義和功能
　　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(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與下部豎向桿件連接，這樣構(gòu)成的高層建筑稱為帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)。
　　轉(zhuǎn)換層主要實現(xiàn)以下功能：
　　(一)上、下層結(jié)構(gòu)類型轉(zhuǎn)換
　　轉(zhuǎn)換層將上部剪力墻轉(zhuǎn)換為下部的框架。這種轉(zhuǎn)換層多用于剪力墻和框架一剪力墻結(jié)構(gòu)中，以獲得較大的內(nèi)部自由空間。
　　(二)上、下層結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)和軸線的改變
　　轉(zhuǎn)換層上、下的結(jié)構(gòu)形式未改變，通過轉(zhuǎn)換層能使下部結(jié)構(gòu)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。
　　（三)同時轉(zhuǎn)換上、下層結(jié)構(gòu)類型和柱網(wǎng)
　　上部剪力墻結(jié)構(gòu)通過轉(zhuǎn)換層改變?yōu)榭蛑Ъ袅�墻結(jié)構(gòu)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。
　　二、不同類型轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)介紹與設(shè)計方法
　　高層建筑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)一般可分為4種基本結(jié)構(gòu)形式，即：桁架(包括空腹桁架)、箱型結(jié)構(gòu)、梁式(包括托梁和雙向梁格)、厚梁厚板(見圖1)。
　　對以上4種基本結(jié)構(gòu)形式設(shè)計應注意的問題簡要介紹如下。
　　(一)梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)
　　該結(jié)構(gòu)形式是目前高層建筑中實現(xiàn)垂直轉(zhuǎn)換最常用的結(jié)構(gòu)形式，由于其傳力途徑采用墻(柱)→轉(zhuǎn)換梁→柱(墻)的形式，具有傳力直接、明確和清桁架轉(zhuǎn)換層箱型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層空腹桁架轉(zhuǎn)換層。
　　          
　                              　圖1帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)體系
　　楚的優(yōu)點，便于工程計算、分析和設(shè)計，且造價較節(jié)省。所以梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)在實際工程中應用較廣。實際工程中轉(zhuǎn)換梁的結(jié)構(gòu)形式有多種多樣，從轉(zhuǎn)換梁功能上，可分為托墻和托柱；從轉(zhuǎn)換梁形式上，可分為加腋和不加腋；從轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)等。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換梁受力特征的影響，采用有限元分析程序?qū)Σ煌�結(jié)構(gòu)形式轉(zhuǎn)換梁的受力特征進行分析。根據(jù)一些工程實例的計算結(jié)果分析可見，計算模型的選取與轉(zhuǎn)換梁的跨度有關(guān)。當轉(zhuǎn)換梁的跨度較大時，上部墻體的層數(shù)考慮取多些；當轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換梁的常用跨度為6-12m，而高層建筑結(jié)構(gòu)標準層常用層高為2．8-3．2m。在此跨度和層高范圍內(nèi)，對上部托墻形式的梁式轉(zhuǎn)換層，轉(zhuǎn)換梁內(nèi)力有限元分析取其上部墻體3～4層，視這部分墻體連同轉(zhuǎn)換梁組成的倒T型深梁與下部一層結(jié)構(gòu)進行內(nèi)力分析，計算精度滿足設(shè)計要求。
　　轉(zhuǎn)換梁設(shè)計方法的選擇與其受力性能和轉(zhuǎn)換層的形式有關(guān)，現(xiàn)簡述如下：
　　1．托柱形式轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計
　　當轉(zhuǎn)換梁承托上部普通框架時，在轉(zhuǎn)換梁常用截面尺寸范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)換梁的受力基本和普通梁相同，可按普通梁截面設(shè)計方法進行配筋計算；當轉(zhuǎn)換梁承托上部斜桿框架時，轉(zhuǎn)換梁將承受軸向拉力，此時應按偏心受拉構(gòu)件進行截面設(shè)計。
　　2．托墻形式轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計
　　當轉(zhuǎn)換梁承托上部墻體滿跨不開洞時，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換梁截面設(shè)計方法宜采用深梁截面設(shè)計方法或應力截面設(shè)計方法，且計算出的縱向鋼筋應沿全梁高適當分布配置。由于此時轉(zhuǎn)換梁跨中較大范圍內(nèi)的內(nèi)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換梁截面設(shè)計方法也宜采用深梁截面設(shè)計方法或應力截面設(shè)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(zhuǎn)換梁承托上部墻體為小墻肢時，轉(zhuǎn)換梁基本上可按普通梁的截面設(shè)計方法進行配筋計算，縱向鋼筋可按普通梁集中布置在轉(zhuǎn)換梁的底部。轉(zhuǎn)換梁的結(jié)構(gòu)形式有很多種，目前高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的實際工程應用也很多。一般而言，高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的真實情況。施工過程中的力學問題應引起設(shè)計人員和施工人員的高度重視。
　　(二)桁架式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)
　　該結(jié)構(gòu)形式是由梁式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層變化而來的，整個轉(zhuǎn)換層由多榀鋼筋混凝土桁架組成承重結(jié)構(gòu)，桁架的上下弦桿分別設(shè)在轉(zhuǎn)換層的上下樓面的結(jié)構(gòu)層內(nèi)，層間設(shè)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(jié)構(gòu)中常用鋼筋混凝土桁架。與梁式轉(zhuǎn)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(shè)計上表現(xiàn)為節(jié)點的設(shè)計難度較大。“強斜腹桿，強節(jié)點”是桁架轉(zhuǎn)換層的基本設(shè)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(zhuǎn)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(chǎn)生脆性破壞。
　　桁架式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計方法簡述如下：
　　桁架式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)可以采用ANSYS和TAT來進行整體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析，除應滿足結(jié)構(gòu)整體的位移、變形、抗傾覆、周期等要求外，還應滿足(JGJ3—2002)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中附錄E中規(guī)定的轉(zhuǎn)換層上下結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比的要求。
　　相對其他結(jié)構(gòu)形式轉(zhuǎn)換層而言，桁架轉(zhuǎn)換層比梁式轉(zhuǎn)換層和厚轉(zhuǎn)換層在受力上更加合理，在轉(zhuǎn)換層位置受到的剪力和彎矩就比較小，有利于構(gòu)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(jié)構(gòu)抗震。其次在桁架轉(zhuǎn)換層上部的結(jié)構(gòu)所受到的剪力和彎矩相對其他的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)來說也較小，其受力受下部轉(zhuǎn)換層的影響較小，比較合理。由于桁架轉(zhuǎn)換層的重量相對其他轉(zhuǎn)換層的重量要小，從而減小了下部框架柱的抗壓負荷。
　　(三)箱型轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)
　　該結(jié)構(gòu)形式即單向托梁、雙向托梁如果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(zhuǎn)換層。它的優(yōu)點是轉(zhuǎn)換層本身的整體性很好，當轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)布置較復雜時，仍能夠保證上下豎向構(gòu)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(shè)備層使用。同時，轉(zhuǎn)換層內(nèi)部的剪力墻與設(shè)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(jié)構(gòu)分析角度考慮，其內(nèi)力分析復雜、結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工難度都較大，因此在實際工程中應用較少。
　　(四)厚板厚梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)
　　該結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換層。板式轉(zhuǎn)換層的下層柱網(wǎng)可以靈活布置、無須與下層結(jié)構(gòu)對齊。但有如下缺點：自重很大，材料耗用較多。厚板厚梁式轉(zhuǎn)換層的剛度很大，可以視為剛性轉(zhuǎn)換層。板式轉(zhuǎn)換層一方面給上部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)計算相對困難，采用有限元計算時計算結(jié)果繁雜，給配筋設(shè)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(shè)置暗梁，增加配筋量。從抗剪和抗沖切的角度考慮，轉(zhuǎn)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(gòu)件的承載力的設(shè)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(zhì)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(jié)構(gòu)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(chǎn)生剪切破壞，板內(nèi)必須三向配筋。
　　厚板轉(zhuǎn)換層設(shè)計方法簡述如下：
　　帶厚板轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析。厚板的內(nèi)力分析：轉(zhuǎn)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。可采用PKPM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(nèi)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(nèi)力計算、內(nèi)力組合、配筋計算。可以進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(nèi)的剪力與彎矩。
　　三、結(jié)語
　　由于帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計理論方法還不完善，因此在進行帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計時應該注意以下幾個問題：
　　第一，轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)不應成為柔軟層，否則房屋在大地震中會倒塌。
　　第二，應使轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度接近下部結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，不發(fā)生轉(zhuǎn)換層上、下剛度突變。
　　第三，若底部轉(zhuǎn)換層位置越高，則轉(zhuǎn)換層上、下剛度突變越大，轉(zhuǎn)換層上、下內(nèi)力傳遞途徑的突變加劇；若轉(zhuǎn)換層位置越高，則落地剪力墻或簡體容易出現(xiàn)受彎裂縫，從而使框支柱的內(nèi)力增大，轉(zhuǎn)換層上部附近的墻體易破壞；若轉(zhuǎn)換層位置越高，則對結(jié)構(gòu)抗震不利。因此，設(shè)計轉(zhuǎn)換層位置時應符合規(guī)程JGJ3—2002附錄E的規(guī)定。
　　第四，設(shè)計帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)體系應符合規(guī)程JGJ3—2002的規(guī)定。