高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層設(shè)計

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摘要：本文介紹了高層建筑的發(fā)展特點，并且提出目前高層建筑的發(fā)展趨勢，既集吃、住、辦公、娛樂、購物、停車為一體的綜合建筑。由于空間功能的復(fù)雜化，使得建筑結(jié)構(gòu)也隨之變化。為了適應(yīng)上部小空間下部大空間的功能需要，需在兩種結(jié)構(gòu)的交接部位設(shè)置過渡結(jié)構(gòu)，也就是轉(zhuǎn)換層。因高層建筑結(jié)構(gòu)的多樣性，轉(zhuǎn)換層也呈現(xiàn)多種形式。

  關(guān)鍵詞：高層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層多樣在我國高層建筑發(fā)展的早期階段，所設(shè)計建造的高層建筑大都為單一用途，例如高層住宅、高層旅館、高層辦公樓等。近年來高層建筑發(fā)展迅速，建筑朝體型復(fù)雜、功能多樣的綜合性方向發(fā)展，因而相應(yīng)的結(jié)構(gòu)形式也復(fù)雜多樣。后來陸續(xù)開始在高層住宅底層設(shè)置生活福利設(shè)施，并且開始大量興建集吃、住、辦公、購物、停車等為一體的多功能綜合性高層建筑，尤其是在城市主干道兩側(cè)，并已成為現(xiàn)代高層建筑的一大趨勢。高層建筑功能綜合化的優(yōu)點：(1)將各種使用功能的建筑單元集中布置并上下組合在一起，使用上更方便省時，為人們提供良好的生活環(huán)境和工作條件，適應(yīng)現(xiàn)代社會高效率、快節(jié)奏生活的需要；（2）集中緊湊的建筑布置，達(dá)到建筑面積最高利用率，相應(yīng)集中緊湊的管道線路，有利于節(jié)約建設(shè)投資及減少能源消耗，也有利于物業(yè)管理，節(jié)約管理經(jīng)費；（3）可減少建筑占地面積，節(jié)約土地費用，增加城市的綠化面積。一、多功能綜合性高層建筑結(jié)構(gòu)體系的特點從建筑使用功能而言，在設(shè)計中，通常將大柱網(wǎng)的購物商場、餐廳、娛樂設(shè)施設(shè)于多功能綜合性高層建筑的下層部分，而將較小柱網(wǎng)、較小開間的住宅、公寓、旅館、辦公功能的建筑設(shè)于中、上層部分。這種建筑使用功能的特點相應(yīng)決定了多功能綜合性高層建筑結(jié)構(gòu)體系的特點。由于不同建筑使用功能要求不同的空間劃分布置，相應(yīng)地，要求不同的結(jié)構(gòu)形式，如何將他們之間通過合理地轉(zhuǎn)換過渡，沿豎向組合在一起，就成為多功能綜合性高層建筑結(jié)構(gòu)體系的關(guān)鍵技術(shù)。這對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了新的問題，需要設(shè)置一種稱為“轉(zhuǎn)換層”的結(jié)構(gòu)形式，來完成上下不同柱網(wǎng)、不同開間、不同結(jié)構(gòu)形式的轉(zhuǎn)換，簡單地說，就是上下兩層的結(jié)構(gòu)不一樣，必需設(shè)置一個轉(zhuǎn)換層來“承上啟下”。結(jié)構(gòu)上的轉(zhuǎn)換層概念，主要是指在整個建筑結(jié)構(gòu)體系中，合理解決豎向結(jié)構(gòu)的突變性轉(zhuǎn)化和平面的連續(xù)性變化的結(jié)構(gòu)單元體系。它在主要滿足結(jié)構(gòu)安全功能要求的同時，多數(shù)情況下解決一些特殊技術(shù)性建筑功能要求。比如在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層空間內(nèi)布置管道、設(shè)備等等。這種轉(zhuǎn)換層廣泛應(yīng)用于剪力墻結(jié)構(gòu)及框架—剪力墻等結(jié)構(gòu)體系中。二、轉(zhuǎn)換層的類型及其工程實例按照不同的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換功能，轉(zhuǎn)換層可分為三種類型：1、高層建筑上層與下層的結(jié)構(gòu)形式不同，通過轉(zhuǎn)換層完成其從上層至下層不同結(jié)構(gòu)形式的變化。1）工程實例之一—北京南洋飯店。地面以上24層，總高度為85m。第1～4層為框架結(jié)構(gòu)，第6層以上為剪力墻結(jié)構(gòu)，第5層為轉(zhuǎn)換層，剪力墻的托梁高度為4.5m，底層柱最大直徑為1.6m；2）工程實例之二－廣東肇慶星湖大酒店，34層，總高度為118.4m，6層以上客房采用剪力墻結(jié)構(gòu)，5層處設(shè)置轉(zhuǎn)換大梁，截面尺寸為0.5m×2.5m，轉(zhuǎn)換為下層的框架結(jié)構(gòu)。2、高層建筑上層與下層的結(jié)構(gòu)形式不變，但通過轉(zhuǎn)換層完成其從上層到下層不同柱網(wǎng)軸線布置的變化。1）工程實例之一－香港新鴻基中心，51層，總高度為178.6m，筒中筒結(jié)構(gòu)體系。1～4層為大空間商業(yè)用房，5層以上為辦公樓。外框筒柱距為2.4m，為解決底層大柱網(wǎng)入口處上、下不同結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)軸線的轉(zhuǎn)換，采用截面尺寸為2.0m×5.5米的預(yù)應(yīng)力混凝土大梁，將下層柱距擴大為16.8m和12m；2）工程實例之二－香港康樂中心，52層，總高度為178.7m，筒中筒結(jié)構(gòu)體系，外筒為薄壁剪力墻筒，墻厚由底部的500mm變化到頂部的150mm，墻上開由圓形的窗洞。在底層入口進(jìn)行了轉(zhuǎn)換：通過采用截面尺寸為2.2m×3.56m的預(yù)應(yīng)力混凝土大梁作為轉(zhuǎn)換大梁，將外筒全部豎向荷載通過10根外柱傳至下部基礎(chǔ)。3、通過轉(zhuǎn)換層同時完成高層建筑上層與下層結(jié)構(gòu)形式與柱網(wǎng)軸線布置的變化。1）工程實例－香港HarberRoadDevelopment大廈。49層，總高度為180m，上層為小柱距框筒結(jié)構(gòu)，通過截面尺寸為1800m(b)×4250m(b)的預(yù)應(yīng)力混凝土大梁的轉(zhuǎn)換，將下層柱距擴大為9.6m和12m。三、內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式為實現(xiàn)高層建筑內(nèi)部上、下層結(jié)構(gòu)形式與柱網(wǎng)的變化，可以用以下的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換形式：1、梁式轉(zhuǎn)換由于它受力明確，設(shè)計與施工簡單，一般用于上層為剪力墻結(jié)構(gòu)，下層為框架結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換。當(dāng)縱、橫向同時需要轉(zhuǎn)換時，可采用雙向梁布置的轉(zhuǎn)換方式。前述的北京南洋飯店，廣東肇慶星湖大酒店都是采用梁式轉(zhuǎn)換層。2、板式轉(zhuǎn)換層當(dāng)上、下柱網(wǎng)、軸線有較大錯位，不便用梁式轉(zhuǎn)換層時，可以采用板式轉(zhuǎn)換方式。板的厚度一般很大，以形成厚板式承臺轉(zhuǎn)換層。它的下層柱網(wǎng)可以靈活布置，不必嚴(yán)格與上層結(jié)構(gòu)對齊，但板很厚，自重很大，材料用量很多。3、箱式轉(zhuǎn)換層當(dāng)需要從上層向更大跨度的下層進(jìn)行轉(zhuǎn)換時，若采用梁式或板式轉(zhuǎn)換層已不能解決問題，這種情況下，可以采用箱式轉(zhuǎn)換層。它很像箱形基礎(chǔ)，也可看成是由上、下層較厚的樓板與單向托梁、雙向托梁共同組成，具有很大的整體空間剛度，能夠勝任較大跨度、較大空間、較大荷載的轉(zhuǎn)換。4、桁架式轉(zhuǎn)換層這種形式的轉(zhuǎn)換層受力合理明確，構(gòu)造簡單，自重較輕，材料節(jié)省，能適應(yīng)較大跨度的轉(zhuǎn)換，雖比箱式轉(zhuǎn)換層的整體空間剛度相對較小，但比箱式轉(zhuǎn)換層少占空間。5、空腹桁架式轉(zhuǎn)換層這種形式的轉(zhuǎn)換層與桁架式轉(zhuǎn)換層的優(yōu)點相似，但空腹桁架式轉(zhuǎn)換層的桿系都是水平、垂直的，而桁架式轉(zhuǎn)換層則具有斜撐竿。空腹桁架式轉(zhuǎn)換層在室內(nèi)空間上比桁架式轉(zhuǎn)換層好，比箱式轉(zhuǎn)換層更好。四、外圍結(jié)構(gòu)采用的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式前述轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式主要用于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的上、下層轉(zhuǎn)換。對于外圍結(jié)構(gòu)，往往由于建筑功能的需要在底部擴大柱距，一般采用梁式轉(zhuǎn)換、絎架式轉(zhuǎn)換、墻式轉(zhuǎn)換、間接式轉(zhuǎn)換、合柱式轉(zhuǎn)換、拱式轉(zhuǎn)換。美國紐約世界貿(mào)易中心采用合柱式轉(zhuǎn)換。以下介紹兩種形式的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換：1、V形柱式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換重慶銀星商城，總建筑面積49800m2，地上28層，總高度101.2m，為商住、商貿(mào)綜合樓，1～9層為商場，基本柱網(wǎng)為7.80m×7.80m及7.80m×9.30m,第10層為技術(shù)層及物業(yè)管理，第11～26層為住宅，第27層及第28層為電梯技術(shù)間及水箱間。由于上部住宅的柱網(wǎng)、軸線與下部商場不能完全重合，對前述的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式都不適合該工程的特點，而且材料用量及造價均較高。后來在第9層與第10層利用兩層空間設(shè)置了4根V形柱來完成結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換。在該設(shè)計中V形柱占據(jù)兩層空間。其斜度為1/5.3，在上面一層為兩肢對稱的斜柱，到下面一層合成為實腹的倒梯形狀，雙斜柱的截面積之和不小于下面倒梯形柱的截面積。在斜柱的頂部用拉梁互相聯(lián)結(jié)，同時在斜柱的外跨框架梁采取加腋措施。采用V形柱式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換時，該層梁的剪力及彎矩要小的多，同時節(jié)省了材料用量及比較。2、斜柱式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換沈陽華利廣場大廈，33層，總高度115m，框架－核心筒結(jié)構(gòu)體系。7層以上用作寫字間、公寓，環(huán)繞圓形核筒設(shè)有16根走廊柱，目的是為了減小呈輻射狀平面布置的主梁的跨度，并相應(yīng)減小層高，然而，在7層以下，這16根環(huán)狀布置的柱對商場的布置是不需要的，應(yīng)予去除，這就構(gòu)成了上、下層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的問題。在設(shè)計中，采用了斜柱雙環(huán)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。將轉(zhuǎn)換層以上16根環(huán)狀平面布置的豎直柱，在兩層樓高范圍內(nèi)，一律向核心筒方向轉(zhuǎn)折，最終予核心筒相交。魚油核心筒內(nèi)設(shè)有電梯、樓梯、管道井、樓板，樓板開洞較多，這16根斜柱內(nèi)力的水平分量主要由核心筒外的圓環(huán)形樓板來承受。在斜柱頂部的樓層梁板出現(xiàn)環(huán)向拉力，在斜柱底靠近核心筒的樓層梁板則出現(xiàn)環(huán)向壓力，。于是，相應(yīng)分別在斜柱頂與斜柱底設(shè)置了抗拉環(huán)梁與抗壓環(huán)梁，在設(shè)計中將環(huán)梁、樓板、斜柱頂主環(huán)梁的中心置于同一水平面上。由于斜柱在其與豎柱相交處產(chǎn)生水平分力作用于樓層，對該水平力最好的處理辦法是設(shè)法在最短的傳力途徑上予以平衡消失。就這點來說，斜柱宜成對稱設(shè)置。如重慶銀星商城大廈。而沈陽華利廣場大廈雖用的是單斜柱，但它對核心筒呈對稱環(huán)狀分布，在斜柱頂部的環(huán)向拉力及斜柱底部的環(huán)向壓力分別由抗拉環(huán)梁與抗壓環(huán)梁來承擔(dān)。斜柱穿越的層數(shù)最少是一層，也可根據(jù)需要穿越2～3層，增多穿越的層數(shù)可使斜柱對樓層的水平分力大為降低。根據(jù)高層綜合樓建筑功能的需要，選擇適宜的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，不但可以節(jié)省材料用量，而且也可以節(jié)省建造費用。同時靈活的將建筑與結(jié)構(gòu)統(tǒng)一，實現(xiàn)建筑之美。