论文部分内容阅读
摘要：转换层结构的设计与应用是目前很多大型高层、多功能建筑施工设计中的重要项目,是在保证建筑安全稳定的前提下,满足建筑多功能需求的主要设计手段和方法。现本文就通过简要概述转换层结构在高层设计中的应用,阐述结构转换层的常见类型,分析其受力机理,以及结合设计工程中遇见转换层结构在高层设计应用中的几个相关问题。
关键词：转换层结构；高层建筑；结构设计；优化配置
中图分类号： TU208 文献标识码： A
引言
现代城市化进程在不断加快的情况下，城市中的人口密度越来越大，这促使高层建筑结构已经成为了现代城市发展的主体，并且弱化了土地资源的供求矛盾，这是当前城市发展的一个主要趋势，同时，城市也在逐渐向着综合性的方向发展。在当前施工条件不断提高的情况下，结构转换层已经成为了现代高层建筑中一项极其重要的施工技术。
一、转换层结构在高层设计中的应用概述
目前,我国的城市高层建筑大都具有多种功能,如在一座高层建筑中,底层是用来作为商店、超市、餐厅等商业用途的楼层;中层是用来作为办公用的办公楼层;而高层则是作为酒店或住宅的楼层,这样多功能的高层建筑不但使城市商业中心紧密结合在一起,且节省了空间、方便了人们的生活和工作。但从建筑设计的专业角度来讲,这种建筑多功能的建筑内部结构分布却存在着一定问题。按照普通的设计思路来看,由于高层建筑的楼层较高,为了保持建筑的稳定与安全,需要加大底层结构的刚度和强度,尽可能的多设置墙体和柱体,以承受上部楼层传下的荷载;而上部由于荷载较小,则无须多设墙体,以减少对底层的荷载。这样看来,建筑功能需求下的建筑结构设计与正常的建筑结构设计思路背道而驰,刚好相反。那么如何在保证建筑结构整体的刚度与安全的前提下,满足现代城市对建筑结构的需求呢？此时,就需要在结构形式发生转换的楼层设计一种水平转换构件,这个水平转换构件,就是转换层结构。
二、高层建筑转换层结构形式
在现代建筑结构形式不断开发的情况下，各个方面的的功能需求在不断的转变，并且建筑自身的造型需求也在不断的增多，在不同的情况下，也同样有着不同的改变，所使用转换层结构应用方式也有着较大的不同。通常情况下，实际应用在建筑工程中的转换层结构有以下几种：
1、梁式转换层结构。
梁式转换层是运用托梁施工技术在现浇钢筋混凝土楼板上布置单向、双向或斜向托梁，用来承托上部各层建筑结构的重力。梁式转换层一般用于底部大空间剪力墙建筑结构，是目前高层建筑转换层中应用最广的结构形式，梁式转换层结构具有同时受力性强、传力途径清晰，构造简单可靠等技术优势。
2、板式转换层结构。
板式转换层结构通常是针对高层建筑的上下柱网出现不规则工况时、或者轴线错位较大的情况下，采用板式结构进行设置的转换层构造。一般来说，用以承载建筑结构重荷的转换层板，其厚度相对较大，耗材也多。为更好地实现多功能高层建筑的要求，板式转换层的结构布置通常较为简便。
3、斜柱转换层结构。
斜柱转换层是现代高层、超高层建筑中广泛采用的转换结构形式，具有传力效果直接，能有效减小转换梁尺寸，转换方式灵活的效果，从受力模式上看，斜柱转换层属于高效型结构形式。
三、高层建筑转换层结构的设计要点
在高层建筑功能需求不断多元化发展的情况下，其转换层结构自身所具有的设计需求差异也在持续不断的发生变化，因此，在对建筑工程转换层结构进行设计的过程中必须要充分的注意以下几个不同的方面：
1、设计目标：其转换层自身的设计必须要充分的符合建筑工程自身的结构需求，同时应当和建筑工程当前的封闭式开间来进行相应的布置，而各个部分的对称落地构件都应当保持实较为良好的实强度，如果强度出现了不足，那么就需要采取截面加大、钢材和混凝土相结合的方式来提升构件自身所拥有的强度，最大限度的提升侧力构件在抗剪刚度、抗弯等方面的性能。
2、结构选择：高层建筑转换层结构形式主要有梁式、桁架、箱式，斜柱式、板式等形式买不同的结构形式具有不同的优势，设计时可根据具体的工程施工情况以及建筑功能需求进行合理的优化和选择转换层形式。
3、刚度保障：转换层结构设计时，要可以采取控制落地剪力墙的比例，加大落地墙的厚度，提高砼的强度等级，减小洞口尺寸，增强结构强度性能，还可以增设补偿剪力墙，来增加空间层的刚度控制转换层上下层结构的刚度变化率。
4、轴压比控制：由于转换层以上墙体的垂直荷截不能借助楼板平面内的刚度传递给落地剪力墙，因此要严格控制框支柱的轴压比，箍筋应沿框支柱全高加密，并采用复合箍或螺旋箍，通过提高柱箍筋配箍率，来提高转换层柱的抗剪能力。
四、结构转换层的受力机理分析
以梁式转换层为例,结构转换层的受力机理为:梁式转换层结构的传力途径为墙-梁-柱(墙)的形式,传力直接,便于分析计算。转换大梁的受力主要受上部剪力墙刚度、剪力墙与转换大梁的相对刚度和转换大梁与下部支撑结构的相对刚度影响。对一般结构转换大梁(跨度小于12m),上部墙体考虑3层与考虑4层、5层内力的设计控制内力差异不大于5%,故在分析计算时可只考虑计算3层。从计算分析不论转换大梁上部墙体的形式如何,只要墙体有一定长度,转换大梁中的弯矩就会比不考虑上部墙体作用要小,同时转换大梁也会有一段范围出现受拉区。主要原因:一是由于转换大梁处于结构整体弯曲的受拉区,应力积分后在转换大梁中就会出现轴向拉力,二是由于上部墙体竖向力作用于转换大梁时形成了拱的传力方式,这样竖向力转变成斜向力作用于转换大梁,从而在转换大梁跨中出现拉力,支座出现轴向压力的情况。
五、转换层结构应用的一些问题
笔者的一个项目，为一幢地下一层，地上二十六层的底部部分框支抗震墙结构房屋，其中框支转换层为五层楼面；主要建筑功能为地下1层车库及设备用房，地上一层为大空间商业，二至四为大空间办公用房，五至二十六层为住宅楼。本工程抗震设防烈度：7度，设计基本地震加速度值：0.15g，场地类别 II类，设计地震分组：第二组，特征周期值：0.40s。框支层框架抗震等级为特一级，加强部位剪力墙抗震等级为特一级，一般部位剪力墙抗震等级为二级。
1、转换次数
布置转换层上下主体竖向结构时,要注意尽可能多的布置成上下主体竖向结构连续贯通,尤其是在核心筒框架结构中,核心筒宜尽量予以上下贯通。
2、上下层刚度比
为了提高高层建筑的整体抗震性能,在设计转换层结构时,要注意平衡转换层上部与下部的刚度,使两者之间的刚度与其变形能力相配合,以增大抗震能力。本工程的楼层剪弯刚度比X\Y向分别为1.02\1.1，此比值宜接近1.0，如果计算刚度比过大，说明存在刚度突变，抗震不利。
3、传力要求
布置转换层上下主体竖向结构时,要注意尽可能使水平转换结构传力直接,尽量避免多级复杂转换,更应尽量避免传力复杂,抗震不利,质量大,耗材多,不经济不合理的厚板转换。对于剪力墙结构,上部剪力墙应落在托梁的中面上,以免使托梁受到大的扭矩,地震时容易产生震害。因此应避免剪力墙托梁的偏心和间接传力。
4、轴压比限值与短柱
采用了转换层后,高层建筑底部的若干柱子要承受上部结构荷重。因柱距受建筑功能制约,柱截面又要满足轴压比和上下层剪切刚度比的要求,所以柱子一般都为对抗震不利的短柱,大幅度增加层高不太可能,也不经济,因而为避免短柱的出现,只有减小柱截面,然而减小柱截面有时可能会很难满足轴压比限值,因此,在设计中必须做重点研究。
5、优化配置
在抗震设计中,当建筑功能需要高位转换时,转换结构宜优先选择不致引起框支柱柱项弯矩过大,柱剪力过大的结构形式,如斜腹杆桁架,空腹桁架和宽扁梁等,同时要注意满足强度,刚度要求避免脆性破坏。
6、抗震构造措施加强
在本工程中，7层楼面墙柱抗震等级为2级，6层为特一级，等级相差过大，承载力产生突变，抗震不利，故设计中将7层墙柱的抗震等级設为1级，逐步过渡到2级。
结束语
转换层结构的设计与应用很好的解决了建筑功能需求与建筑受力需求之间的矛盾,为提高高层建筑的整体性能提供有力的技术支持。在采用转换层结构进行施工设计时,要根据实际具体的工程状况、施工条件、工程预算以及建筑需求进行合理选择,严格注意在施工应用中的一些主要问题,把关质量关,使转换层结构充分发挥其最大的职能作用。
参考文献
[1]倪炜.梁式转换层结构设计[J].江西建材，2011.(2).
[2]余智.浅谈建筑转换层的结构设计[J].建材与装饰(下旬刊),2008.(4).
关键词：转换层结构；高层建筑；结构设计；优化配置
中图分类号： TU208 文献标识码： A
引言
现代城市化进程在不断加快的情况下，城市中的人口密度越来越大，这促使高层建筑结构已经成为了现代城市发展的主体，并且弱化了土地资源的供求矛盾，这是当前城市发展的一个主要趋势，同时，城市也在逐渐向着综合性的方向发展。在当前施工条件不断提高的情况下，结构转换层已经成为了现代高层建筑中一项极其重要的施工技术。
一、转换层结构在高层设计中的应用概述
目前,我国的城市高层建筑大都具有多种功能,如在一座高层建筑中,底层是用来作为商店、超市、餐厅等商业用途的楼层;中层是用来作为办公用的办公楼层;而高层则是作为酒店或住宅的楼层,这样多功能的高层建筑不但使城市商业中心紧密结合在一起,且节省了空间、方便了人们的生活和工作。但从建筑设计的专业角度来讲,这种建筑多功能的建筑内部结构分布却存在着一定问题。按照普通的设计思路来看,由于高层建筑的楼层较高,为了保持建筑的稳定与安全,需要加大底层结构的刚度和强度,尽可能的多设置墙体和柱体,以承受上部楼层传下的荷载;而上部由于荷载较小,则无须多设墙体,以减少对底层的荷载。这样看来,建筑功能需求下的建筑结构设计与正常的建筑结构设计思路背道而驰,刚好相反。那么如何在保证建筑结构整体的刚度与安全的前提下,满足现代城市对建筑结构的需求呢？此时,就需要在结构形式发生转换的楼层设计一种水平转换构件,这个水平转换构件,就是转换层结构。
二、高层建筑转换层结构形式
在现代建筑结构形式不断开发的情况下，各个方面的的功能需求在不断的转变，并且建筑自身的造型需求也在不断的增多，在不同的情况下，也同样有着不同的改变，所使用转换层结构应用方式也有着较大的不同。通常情况下，实际应用在建筑工程中的转换层结构有以下几种：
1、梁式转换层结构。
梁式转换层是运用托梁施工技术在现浇钢筋混凝土楼板上布置单向、双向或斜向托梁，用来承托上部各层建筑结构的重力。梁式转换层一般用于底部大空间剪力墙建筑结构，是目前高层建筑转换层中应用最广的结构形式，梁式转换层结构具有同时受力性强、传力途径清晰，构造简单可靠等技术优势。
2、板式转换层结构。
板式转换层结构通常是针对高层建筑的上下柱网出现不规则工况时、或者轴线错位较大的情况下，采用板式结构进行设置的转换层构造。一般来说，用以承载建筑结构重荷的转换层板，其厚度相对较大，耗材也多。为更好地实现多功能高层建筑的要求，板式转换层的结构布置通常较为简便。
3、斜柱转换层结构。
斜柱转换层是现代高层、超高层建筑中广泛采用的转换结构形式，具有传力效果直接，能有效减小转换梁尺寸，转换方式灵活的效果，从受力模式上看，斜柱转换层属于高效型结构形式。
三、高层建筑转换层结构的设计要点
在高层建筑功能需求不断多元化发展的情况下，其转换层结构自身所具有的设计需求差异也在持续不断的发生变化，因此，在对建筑工程转换层结构进行设计的过程中必须要充分的注意以下几个不同的方面：
1、设计目标：其转换层自身的设计必须要充分的符合建筑工程自身的结构需求，同时应当和建筑工程当前的封闭式开间来进行相应的布置，而各个部分的对称落地构件都应当保持实较为良好的实强度，如果强度出现了不足，那么就需要采取截面加大、钢材和混凝土相结合的方式来提升构件自身所拥有的强度，最大限度的提升侧力构件在抗剪刚度、抗弯等方面的性能。
2、结构选择：高层建筑转换层结构形式主要有梁式、桁架、箱式，斜柱式、板式等形式买不同的结构形式具有不同的优势，设计时可根据具体的工程施工情况以及建筑功能需求进行合理的优化和选择转换层形式。
3、刚度保障：转换层结构设计时，要可以采取控制落地剪力墙的比例，加大落地墙的厚度，提高砼的强度等级，减小洞口尺寸，增强结构强度性能，还可以增设补偿剪力墙，来增加空间层的刚度控制转换层上下层结构的刚度变化率。
4、轴压比控制：由于转换层以上墙体的垂直荷截不能借助楼板平面内的刚度传递给落地剪力墙，因此要严格控制框支柱的轴压比，箍筋应沿框支柱全高加密，并采用复合箍或螺旋箍，通过提高柱箍筋配箍率，来提高转换层柱的抗剪能力。
四、结构转换层的受力机理分析
以梁式转换层为例,结构转换层的受力机理为:梁式转换层结构的传力途径为墙-梁-柱(墙)的形式,传力直接,便于分析计算。转换大梁的受力主要受上部剪力墙刚度、剪力墙与转换大梁的相对刚度和转换大梁与下部支撑结构的相对刚度影响。对一般结构转换大梁(跨度小于12m),上部墙体考虑3层与考虑4层、5层内力的设计控制内力差异不大于5%,故在分析计算时可只考虑计算3层。从计算分析不论转换大梁上部墙体的形式如何,只要墙体有一定长度,转换大梁中的弯矩就会比不考虑上部墙体作用要小,同时转换大梁也会有一段范围出现受拉区。主要原因:一是由于转换大梁处于结构整体弯曲的受拉区,应力积分后在转换大梁中就会出现轴向拉力,二是由于上部墙体竖向力作用于转换大梁时形成了拱的传力方式,这样竖向力转变成斜向力作用于转换大梁,从而在转换大梁跨中出现拉力,支座出现轴向压力的情况。
五、转换层结构应用的一些问题
笔者的一个项目，为一幢地下一层，地上二十六层的底部部分框支抗震墙结构房屋，其中框支转换层为五层楼面；主要建筑功能为地下1层车库及设备用房，地上一层为大空间商业，二至四为大空间办公用房，五至二十六层为住宅楼。本工程抗震设防烈度：7度，设计基本地震加速度值：0.15g，场地类别 II类，设计地震分组：第二组，特征周期值：0.40s。框支层框架抗震等级为特一级，加强部位剪力墙抗震等级为特一级，一般部位剪力墙抗震等级为二级。
1、转换次数
布置转换层上下主体竖向结构时,要注意尽可能多的布置成上下主体竖向结构连续贯通,尤其是在核心筒框架结构中,核心筒宜尽量予以上下贯通。
2、上下层刚度比
为了提高高层建筑的整体抗震性能,在设计转换层结构时,要注意平衡转换层上部与下部的刚度,使两者之间的刚度与其变形能力相配合,以增大抗震能力。本工程的楼层剪弯刚度比X\Y向分别为1.02\1.1，此比值宜接近1.0，如果计算刚度比过大，说明存在刚度突变，抗震不利。
3、传力要求
布置转换层上下主体竖向结构时,要注意尽可能使水平转换结构传力直接,尽量避免多级复杂转换,更应尽量避免传力复杂,抗震不利,质量大,耗材多,不经济不合理的厚板转换。对于剪力墙结构,上部剪力墙应落在托梁的中面上,以免使托梁受到大的扭矩,地震时容易产生震害。因此应避免剪力墙托梁的偏心和间接传力。
4、轴压比限值与短柱
采用了转换层后,高层建筑底部的若干柱子要承受上部结构荷重。因柱距受建筑功能制约,柱截面又要满足轴压比和上下层剪切刚度比的要求,所以柱子一般都为对抗震不利的短柱,大幅度增加层高不太可能,也不经济,因而为避免短柱的出现,只有减小柱截面,然而减小柱截面有时可能会很难满足轴压比限值,因此,在设计中必须做重点研究。
5、优化配置
在抗震设计中,当建筑功能需要高位转换时,转换结构宜优先选择不致引起框支柱柱项弯矩过大,柱剪力过大的结构形式,如斜腹杆桁架,空腹桁架和宽扁梁等,同时要注意满足强度,刚度要求避免脆性破坏。
6、抗震构造措施加强
在本工程中，7层楼面墙柱抗震等级为2级，6层为特一级，等级相差过大，承载力产生突变，抗震不利，故设计中将7层墙柱的抗震等级設为1级，逐步过渡到2级。
结束语
转换层结构的设计与应用很好的解决了建筑功能需求与建筑受力需求之间的矛盾,为提高高层建筑的整体性能提供有力的技术支持。在采用转换层结构进行施工设计时,要根据实际具体的工程状况、施工条件、工程预算以及建筑需求进行合理选择,严格注意在施工应用中的一些主要问题,把关质量关,使转换层结构充分发挥其最大的职能作用。
参考文献
[1]倪炜.梁式转换层结构设计[J].江西建材，2011.(2).
[2]余智.浅谈建筑转换层的结构设计[J].建材与装饰(下旬刊),2008.(4).