托柱梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)

劉　薇

[摘要]托柱梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了上下層結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)改變，具有截面大、結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜等特點(diǎn)a文章針對(duì)托柱梁式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在對(duì)其受力機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，提出托柱梁式轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)時(shí)需注意的問(wèn)題及應(yīng)采取的措施。

[關(guān)鍵詞]托柱粱式轉(zhuǎn)換層；受力；強(qiáng)度

[作者簡(jiǎn)介]劉薇，中鐵建柳州勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司建筑規(guī)劃所工程師，廣西柳州，545007

[中圖分類(lèi)號(hào)]TU973

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1007-7723(2009)06-0135-0002

現(xiàn)代高層建筑為了滿(mǎn)足底部為大空間、上部為小空間使用功能上的要求，往往需要通過(guò)加設(shè)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式來(lái)實(shí)現(xiàn)。托柱梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)是目前高層建筑中實(shí)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柱(墻)一轉(zhuǎn)換梁一柱的形式。具有傳力直接、明確和清楚的優(yōu)點(diǎn)，便于工程計(jì)算、分析和設(shè)計(jì)，且造價(jià)較低，在實(shí)際中應(yīng)用較廣。

一、托柱梁式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)

1，通過(guò)托柱梁式轉(zhuǎn)換層，實(shí)現(xiàn)了上層和下層柱網(wǎng)的改變。在建筑物底部形成大空間，而上部形成小空間。

2，托柱梁式轉(zhuǎn)換梁受其上部柱傳下的巨大荷載，構(gòu)件內(nèi)力很大，因此，豎向荷載成了控制轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要因素。

3，轉(zhuǎn)換梁跨度數(shù)倍于上部結(jié)構(gòu)的跨度，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件豎向擾度成為嚴(yán)格控制目標(biāo)。

4，結(jié)構(gòu)中由于設(shè)置了轉(zhuǎn)換層，沿建筑物高度方向剛度的均勻性會(huì)受到很大的破壞，力的傳播途徑也有很大改變，這決定了轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)不能以通常結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。

由于以上特點(diǎn)，為保證轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)有足夠的剛度和強(qiáng)度，轉(zhuǎn)換梁的截面尺寸不可避免地增大，但同時(shí)，由于梁很強(qiáng)，處理不好有可能使轉(zhuǎn)換梁與下層柱形成“強(qiáng)梁弱柱”現(xiàn)象。因此，托柱梁或轉(zhuǎn)換層必須另外增加一些新的措施來(lái)克服這些不利影響。

二、托柱梁式轉(zhuǎn)換層受力機(jī)理分析

1，當(dāng)轉(zhuǎn)換梁承托上部普通框架時(shí)，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。當(dāng)轉(zhuǎn)換梁承托上部斜桿框架時(shí)，轉(zhuǎn)換梁將承受軸向拉力，此時(shí)處于偏心受拉狀態(tài)。

2，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的樓板，通常是由垂直荷載來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，而對(duì)于轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，抗側(cè)力結(jié)構(gòu)沿豎向剛度發(fā)生突變，轉(zhuǎn)換層樓板要完成上下層剪力的重分配，在起自向平面內(nèi)要傳遞較大的水平力，即使樓板總水平力不大，也可能在樓板平面內(nèi)引起較大內(nèi)力，相對(duì)于一般樓面，這是一種額外的附加內(nèi)力。若在強(qiáng)震作用下，轉(zhuǎn)換層樓板平面內(nèi)要產(chǎn)生很大變形。一般而言，此轉(zhuǎn)換層樓面受力較大，除協(xié)助轉(zhuǎn)換梁工作外，樓蓋還要承受上部結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件傳來(lái)的水平力以傳遞到下部結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件中去。為此，此轉(zhuǎn)換層樓蓋厚度一般不宜小于20cm。

3，轉(zhuǎn)換梁的工作情況不同于理想狀態(tài)的框支梁。轉(zhuǎn)換梁支托的上部結(jié)構(gòu)常常不規(guī)則布置、不規(guī)則開(kāi)洞，盡管轉(zhuǎn)換梁與上部結(jié)構(gòu)必定要協(xié)同工作，但工作狀態(tài)卻較為不利。一般來(lái)講，上部結(jié)構(gòu)幾乎很難幫助轉(zhuǎn)換梁工作。在上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的垂直、水平荷載作用下，轉(zhuǎn)換梁截面上的正應(yīng)力、剪應(yīng)力都很大。為了提高整個(gè)轉(zhuǎn)換梁及支托的上部結(jié)構(gòu)的剛度，改善由于轉(zhuǎn)換梁變形引起的上部結(jié)構(gòu)附加二次應(yīng)力，保證轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)具有良好的抗剪、抗彎承載能力和剛度延性，轉(zhuǎn)換梁的斷面一般可由轉(zhuǎn)換梁支托上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的垂直荷載產(chǎn)生的剪力通過(guò)控制剪壓比為0.07-0.1來(lái)控制確定。這里需要指出的是，由于轉(zhuǎn)換梁支托的上部結(jié)構(gòu)是隨施工逐層形成的，上部結(jié)構(gòu)剛度不可能一次全部形成共同參與承受施工階段的垂直荷載。為便于安全和提高轉(zhuǎn)換梁剛度，保證整體結(jié)構(gòu)處于比較好的承載能力，在確定轉(zhuǎn)換梁斷面時(shí)可采用其支托的全部上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的垂直荷載產(chǎn)生的剪力，而不考慮上部結(jié)構(gòu)參與工作的有利因素。用這種方法設(shè)計(jì)控制的轉(zhuǎn)換梁一般能較好地滿(mǎn)足剛度、強(qiáng)度、延性的要求。

三、托柱梁式轉(zhuǎn)換層在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中須注意的問(wèn)題

1，轉(zhuǎn)換梁在實(shí)際工程中的高跨比h／L=1／8～1／6，因此轉(zhuǎn)換梁是一種介于普通梁和深梁之間的梁。

2，托柱轉(zhuǎn)換梁在常用尺寸范圍內(nèi)，可按普通梁截面設(shè)計(jì)方法進(jìn)行配筋。但轉(zhuǎn)換梁又有不同于普通梁的特性。帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)及其上下若干層的主體結(jié)構(gòu)筒、墻、框架中應(yīng)力比較集中、復(fù)雜，設(shè)計(jì)在整體計(jì)算控制的前提下還必須輔以該部分局部結(jié)構(gòu)的有限元分析。轉(zhuǎn)換梁的配筋不同于普通框架梁，有些類(lèi)似于深梁，轉(zhuǎn)換梁水平腹筋應(yīng)按有限元計(jì)算分析得到的截面拉應(yīng)力控制。轉(zhuǎn)換梁支托的上部剪力墻端部小墻肢應(yīng)力十分集中，也應(yīng)按有限元計(jì)算結(jié)果來(lái)配筋加強(qiáng)。

3，實(shí)際的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，除承受正常垂直、水平荷載外，還將受到混凝土收縮、徐變、溫差等非荷載效應(yīng)的影響。轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)斷面比較大，應(yīng)力比較復(fù)雜，這些影響更大。

4，轉(zhuǎn)換層上下側(cè)向剛度比目前是按樓層剪切剛度比來(lái)控制的，沒(méi)有考慮豎向構(gòu)件的布置問(wèn)題，尤其不適用于托柱轉(zhuǎn)換層上下結(jié)構(gòu)剛度比的計(jì)算?？紤]到這些實(shí)際因素，轉(zhuǎn)換梁的配筋計(jì)算應(yīng)有足夠大的安全余量。

5，高層建筑中，由于設(shè)置了轉(zhuǎn)換層，沿建筑高度方向剛度的均勻性會(huì)受到很大的破壞，托柱梁式轉(zhuǎn)換層豎向承力柱不連續(xù)以及柱截面突變，導(dǎo)致傳力路線(xiàn)曲折、變形集中及應(yīng)力集中，造成轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)抗震性能較差。這就要求設(shè)計(jì)者在布置上部主體結(jié)構(gòu)和下部主體結(jié)構(gòu)時(shí)，要盡量注意上下協(xié)調(diào)，盡可能多地上下連續(xù)。即首先在可能的情況下盡量減少主體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，核心筒、剪力墻、框架柱等豎向主體構(gòu)件能上下連續(xù)的盡量連續(xù)，以保持結(jié)構(gòu)的傳力直接、剛度連續(xù)，既經(jīng)濟(jì)又合理。當(dāng)然，連續(xù)的豎向構(gòu)件不等于它們的斷面沿豎向不變化，連續(xù)的豎向構(gòu)件過(guò)了轉(zhuǎn)換層進(jìn)入上部結(jié)構(gòu)后，斷面可以減小，以保持轉(zhuǎn)換層上下結(jié)構(gòu)剛度的匹配。

6，要注意使轉(zhuǎn)換層上下主體結(jié)構(gòu)的層間剪切剛度匹配，對(duì)于上部剪力墻下部簡(jiǎn)體框架、剪力墻框架的結(jié)構(gòu)，要注意適當(dāng)增強(qiáng)下部簡(jiǎn)體、剪力墻，適當(dāng)減弱上部剪力墻，以使轉(zhuǎn)換層上下部分主體結(jié)構(gòu)層間剪切剛度之比盡量接近，且應(yīng)不大于2。對(duì)于上部小柱網(wǎng)下部大柱網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，要注意上部框架梁斷面適當(dāng)減弱，下部框架梁斷面適當(dāng)加強(qiáng)，從而可以做到使上下兩部分主體結(jié)構(gòu)的層間剪切剛度十分接近。

7，為了避免使轉(zhuǎn)換梁與下層柱形成框架出現(xiàn)“強(qiáng)梁弱柱”現(xiàn)象，以及合理提高轉(zhuǎn)換梁的有效承載力，可以采取以下兩種措施：

(1)設(shè)置多道轉(zhuǎn)換梁來(lái)分擔(dān)豎向傳力。為了避免一根轉(zhuǎn)換梁承托上部所有各層荷載，造成轉(zhuǎn)換梁截面尺寸過(guò)大的不足，采用設(shè)置多道轉(zhuǎn)換梁的方法，使一層轉(zhuǎn)換梁承托上部所有層變成多道轉(zhuǎn)換梁承托上部所有層的荷載，這樣就可以有效降低單根轉(zhuǎn)換梁上承受的荷載。

(2)在轉(zhuǎn)換梁受剪力最大的地方通過(guò)加腋的方法增加轉(zhuǎn)換梁的局部抗剪承載力。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，轉(zhuǎn)換梁的截面尺寸往往是由其受剪承載力要求來(lái)決定的，受彎承載力對(duì)截面的要求并不是主要因素，梁在支座處的剪力較大，在此處加腋可以增強(qiáng)轉(zhuǎn)換梁在支座區(qū)段的抗剪承載力，這樣可以有效降低轉(zhuǎn)換梁中部的截面尺寸。

四、結(jié)語(yǔ)

隨著高層建筑進(jìn)一步的發(fā)展，高層建筑的形式、材料、力學(xué)分析模型都將日趨復(fù)雜多元。為了革新高層建筑，體現(xiàn)其魅力。追求新的結(jié)構(gòu)形式和更加合理的力學(xué)模型將是土木工程師們的目標(biāo)和方向。