浅谈高层建筑转换层结构

2011-08-15孙华东

山西建筑 2011年11期

贾辉孙华东

0 引言

近年来，随着经济发展和科技进步，国内外高层建筑的发展十分迅速，而且为满足人们生活快节奏的需要，现代的高层建筑结构越来越高、越建越大，并且向着体形复杂、功能多样、造型新颖的方向发展［1］。为满足建筑结构功能的需要，必须对其进行“反常规设计”，即上部布置小空间，下部布置大空间。而为了实现这种结构布置，就必须在结构发生变化或者上下轴线错位的楼层设置水平转换构件，转换层结构应运而生。目前，这类建筑已经成为现代高层建筑发展的一大趋势。

1 转换层结构的分类

由于结构功能的不同，依据转换层所实现的结构转换可以把转换层结构大致分为以下3类［3，4］:

1 )上层和下层结构类型的转换。将上部墙体转换为下部框架，以创造一个较大的内部空间，多用于剪力墙和框架—剪力墙结构;2)上层和下层柱网、轴线的改变。这类转换层上、下结构形式没有改变，但通过转换层，使下部结构柱距扩大，形成大柱网; 3)同时转换结构形式和结构轴线的布置。这一类型的转换层在将上部楼层剪力墙结构转换为下部框架结构的同时，下部楼层柱网轴线与上部楼层的轴线错开，形成上、下部结构错位布置［2］。

2 转换层结构的主要形式

2.1 梁式转换

梁式结构的转换层一般在转换层的楼面设置纵横交错的钢筋混凝土承重大梁，为适应上部荷载的需要，梁的截面尺寸较大，对于框筒、筒中筒结构或外框筒的柱一般较密，在底部一层、二层的出入口处往往不能满足使用要求，有时要求把外筒的柱在局部处减少1根～2根。局部形成上层有柱，下层无柱的情形。有时出入口不只一处，而且一层与二层的出入口不一定都上下对齐。遇此情形，可以在相应楼层下作一圈转换大梁，把上部柱的荷载通过转换大梁传到下层两边的柱上去，相应的这两边的柱的尺寸要加大。梁式转换还更多地适用于框支剪力墙结构，这种高层建筑中最常见的结构，是把大部分的剪力墙在一定层次上用框架抬起来，一部分剪力墙落地，在交界处用一较大截面的托梁来过渡，结构的转换层就做在框支梁这一层。这样，房间中无凸出的柱，墙面平整，在使用中也较为合理。

2.2 桁架式转换

桁架式结构的转换层是由梁式结构转换层变化而来的，整个转换层由多种钢筋混凝土桁架组成承重结构，桁架的上、下弦杆分别设在转换层的上、下楼面的结构层内，层间设有腹杆。由于桁架高度较高，所以上、下弦杆的截面尺寸相对较小。对于下部是商场、娱乐设施，上部是客房、宾馆的情形，一般在较大柱距方向，由于上部有走道，卫生间等，需要加设柱来减小梁的跨度，从而达到减小梁高，降低客房层高的目的。通常在客房层和商场之间作一个设备层，利用设备层的空间在此方向作空腹桁架，所有设备管道可在桁架的腹内穿行，不影响使用。桁架上部的柱或墙荷载通过桁架传到下部较大柱距的柱或墙上。有时为了把客房层的层高再压低一些，上部客房层在另一个方向上也加一根柱子，此时在转换层内要在两个方向作空腹桁架。为方便设计与施工，宜上下各作一块较厚的板，在中间适当位置布置一些肋，中空的地方可让设备管道穿行。

2.3 箱形转换

箱形转换是通过一整层来达到具有较大刚度和承载力的一种转换结构，实际上也是由梁式结构转换层变化而来的。在这一转换层中，楼层上下面的同一根轴线上均设一道大梁，梁间是钢筋混凝土墙，构成类似于桁架的大型组合梁结构。纵横两向的组合梁交叉成梁格，大部分交叉处有底层通上来的柱子，地板和顶板都是钢筋混凝土厚板，这样便形成一个箱形刚性层。在该层的腹板中可以选择适当位置开设管道和人通行孔洞，以充分利用空间。过渡层上的剪力墙不像框支剪力墙那样应力复杂，这就在一定程度上解决了框支剪力墙结构中剪力墙开洞要求与洞口限制之间的矛盾。但箱形自身刚度较大，大空间的底层或下部几层的结构平面需进行合理布置，保持一定的刚度，避免在抵抗水平力时因底层刚度削弱而产生较大的相对位移，造成破坏。目前箱形转换层用于房屋结构还不多，但在铁路工程中较常见。

2.4 厚板转换

厚板结构的转换层通常适用于上、下层既有结构类型的转变，又有柱网、轴线变化的情况。对于体型复杂的商住楼，特别是多塔楼体系，上部住宅单元剪力墙布置很不规则，而下部商场要求规则大柱网，难以布置转换梁，采用厚板转换层成为一种较好的选择。厚板在解决建筑与结构的功能方面有一定的优势，它可以使高层建筑在转换层上、下的墙、柱轴线上不受任何限制，因而可以比较合理的布置构件，改善整体结构的受力情况，它特别适用于体型复杂、功能繁多的结构，能够更为灵活的实现建筑物的功能，真正体现高层建筑的优势，这是其他形式的转换层结构所不能比拟的。随着高层建筑的迅速发展和框支剪力墙结构体系的广泛应用，为满足复杂建筑的需要，转换层位置的高度越来越高，一般设在3层～6层，有的工程设在7层～10层，甚至更高，这就是我们所说的高位转换结构。这类结构的设计方法在现行《高规》中没有明确规定，主要原因是对高位转换层结构研究不够深入，而工程师往往沿用底层框支剪力墙结构的设计方法，但是原有的设计方法是否满足高位转换结构的需要，转换层的高度对框支剪力墙结构的抗震性能有何影响，对侧向刚度和平面布置有何影响，在设计中应注意哪些问题，这些都是工程设计人员迫切关注的。所以，高位转换层结构设计中有许多问题有待解决，该课题具有重大的理论和现实意义［3］。

3 转换层结构的发展趋势

3.1 钢骨混凝土转换层的应用［4］

钢骨混凝土梁不仅承载力高，刚度好，可大大减小截面尺寸，且塑性、耐久性和抗震性能优于钢筋混凝土梁。此外，钢骨混凝土梁在施工阶段其自身刚度好，定位准确，可减少支模，加快施工速度。目前，国内采用钢骨混凝土转换构件的实际工程还不多，但国外采用则较多。

3.2 预应力混凝土转换层的应用［5］

采用预应力技术可带来许多结构和施工上的优点，如减小截面尺寸、控制裂缝和挠度，控制施工阶段的裂缝及减轻支撑负担等等。因此，预应力混凝土结构非常适合于建造承重荷载的大跨度转换层，且自重轻，节省钢材和混凝土。

3.3 转换梁受力性能的改善

转换梁的截面尺寸是由其受剪承载力来控制的，截面尺寸往往较大，处理不好有可能使转换梁与框支柱形成的框架出现“强梁弱柱”的现象，对结构抗震不利;另一方面采用转换梁也多少会影响该层的使用空间;对于外筒的转换，采用转换梁会对该层的通风、采光不利，若开设洞口，则会产生明显的应力集中现象，因此有必要寻求新的转换结构形式，以改善转换梁的受力性能，主要途径包括:

1 )斜向支撑的应用;2)竖向传力的多道转换;3)转换梁加腋的应用;4)新型转换结构的应用［5，8］。