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摘要：高層建筑在工程實(shí)踐中的應(yīng)用日漸廣泛，工程中經(jīng)常會(huì)遇到轉(zhuǎn)換位置較高的情況(即高位轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu))。本文全面闡述了高位轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和抗震性能，總結(jié)出了一些有意義的結(jié)論。...

關(guān)于高位轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的若干建議

展衛(wèi)  孫建飛

(江蘇賽華建設(shè)監(jiān)理有限公司，江蘇無錫214071)

    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。20世紀(jì)80年代以來，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、餐館、文化娛樂場所；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。

    1.1梁式轉(zhuǎn)換

    底層柱距擴(kuò)大后，采用轉(zhuǎn)換梁來承托上部密排柱傳來的豎向荷載。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，對其展開的研究也較多，理論相對成熟。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)和施工相對簡單，同時(shí)在轉(zhuǎn)換梁受力較小部位可以開設(shè)合適的洞15，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。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—3．0 m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。早期的典型工程有捷克布拉的斯拉發(fā)Kyiew Hotel、香港綠楊新村以及深圳蛇口工業(yè)區(qū)碧采花園等。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)對高層建筑多功能的要求，但從結(jié)構(gòu)上講，這是一種對抗震極為不利的復(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。

    1.7合并柱

    美國紐約的世界貿(mào)易中心大樓是采用鋼框筒的最高建筑。9層以上的框筒的柱距為l.02 m；8層以下，柱距擴(kuò)大為3.06 m，是采取每三根柱合并為一根柱的辦法解決的。過渡層則采用斜柱加以銜接。這樣處理既解決了樓層剛度突變問題，又取得了獨(dú)特、別致豎向線條的立面效果。

2、轉(zhuǎn)換層力學(xué)特性及其影響因素分析

    近年來，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τ诘撞看罂臻g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。

    帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑沿高度方向質(zhì)量和剛度都不均勻，在地震作用下的反應(yīng)與均勻結(jié)構(gòu)不同。而近年來，轉(zhuǎn)換層的設(shè)置越來越高，但是很少有人對帶高位轉(zhuǎn)換層的抗震特性進(jìn)行過系統(tǒng)的研究。

    張?zhí)m英等人…通過對一l8層帶高位轉(zhuǎn)換層的框支剪力墻結(jié)構(gòu)的商住樓的動(dòng)力時(shí)程分析，研究了轉(zhuǎn)換層的設(shè)置高度、轉(zhuǎn)換層以下和以上結(jié)構(gòu)的剛度、剛度比、層屈服強(qiáng)度等因素對建筑物的抗震性能的影響。

    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γ=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：

 

    (1)隨著轉(zhuǎn)換層位置的提高，結(jié)構(gòu)周期變長。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。

    (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)換層以下和以上結(jié)構(gòu)剛度的影響

    當(dāng)轉(zhuǎn)換層設(shè)置在較低位置時(shí)，結(jié)構(gòu)的剛度比減小，能夠減小結(jié)構(gòu)在地震作用下的側(cè)移，改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。而當(dāng)轉(zhuǎn)換層設(shè)置在較高位置時(shí)，結(jié)構(gòu)的剛度比減小-，并不能減小結(jié)構(gòu)在地震作用下的側(cè)移，t達(dá)不到改善結(jié)構(gòu)抗震性能的目的。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)換層以下結(jié)構(gòu)加厚落地墻肢，使剛度增加的同時(shí)，每層的質(zhì)量也有所增加，這就使得結(jié)構(gòu)所承受的地震作用也相應(yīng)增加，當(dāng)增加到一定程度后，結(jié)構(gòu)剛度增加不再起主導(dǎo)作用，結(jié)果就造成結(jié)構(gòu)側(cè)移的增加。

    通過加大轉(zhuǎn)換層以上剪力墻連梁尺寸，增大連梁剛度，可以使結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層以上各層的層間側(cè)移減小，同時(shí)也使轉(zhuǎn)換層以下各層的層間側(cè)移加大，但對上部結(jié)構(gòu)的影響明顯大于對下部結(jié)構(gòu)的影響；連梁剛度的改變對結(jié)構(gòu)的側(cè)移有影響，但影響不是很大，連梁剛度的增加，使結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)的側(cè)移減小。

    通過加大轉(zhuǎn)換層以下框支柱的截面尺寸，使框支柱的剛度增大，當(dāng)轉(zhuǎn)換層設(shè)置位置較低時(shí)，能夠減小結(jié)構(gòu)在地震作用下的側(cè)移，但當(dāng)轉(zhuǎn)換層的設(shè)置位置高到一定程度時(shí)，就有可能使結(jié)構(gòu)在地震作用下的側(cè)移增大。當(dāng)轉(zhuǎn)換層設(shè)于7層時(shí)，框支柱剛度對結(jié)構(gòu)在地震作用下的側(cè)移減小幅度為最大。

    此外，在高位轉(zhuǎn)換框支剪力墻高層抗震性能研究中，周福霖等人通過對深圳市長大廈進(jìn)行比例為1／25的微粒混凝土模型模擬地震振動(dòng)臺試驗(yàn)以及 SAP2000有限元分析，得出的結(jié)論與上文基本一致。

    2.3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)  語

    目前文獻(xiàn)資料的一些研究都是針對一些具體結(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)。因此建議：

    (1)由于高位轉(zhuǎn)換時(shí)剛度和質(zhì)量較大的轉(zhuǎn)換層升高，調(diào)整轉(zhuǎn)換層本身及其上、下的剛度比使之接近是必要的，轉(zhuǎn)換層本身的剛度和質(zhì)量不宜大，最終可通過水平力(靜力)作用下精確的空間分析檢查轉(zhuǎn)換層附近的層間位移角是否基本均勻。

    (2)宜盡量選用剛度和重量較小的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式，計(jì)算時(shí)應(yīng)多取參與組合的振型數(shù)。

    (3)通過計(jì)算仔細(xì)分析可能存在的薄弱部位，

研究具體的內(nèi)力分配特點(diǎn)，通過調(diào)整內(nèi)力和構(gòu)件配筋設(shè)計(jì)改善薄弱部位的性能。

    (4)在高層建筑中，高位轉(zhuǎn)換的底部大空間剪力墻結(jié)構(gòu)宜進(jìn)行彈塑性計(jì)算(彈塑性靜力分析或時(shí)程分析)，以檢驗(yàn)大震下的塑性及分布規(guī)律和層間變形，來保證結(jié)構(gòu)在大震下的安全。

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(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核) 

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