高層建筑梁、板式轉(zhuǎn)換層結(jié)構設計方法研究

吳海波

（內(nèi)蒙古華地方圓設計研究有限責任公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

前言

本文對高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構受力特點進行了介紹，對高層建筑梁、板式轉(zhuǎn)換層設計原則進行了闡述，通過分析，并結(jié)合自身實踐經(jīng)驗和相關理論知識，對高層建筑梁、板式轉(zhuǎn)換層結(jié)構設計要點進行探討。

1 高層建筑梁、板式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構受力點

通常含有轉(zhuǎn)換結(jié)構的高層建筑的底部會設計大空間剪力墻，其中部分剪力墻為在底落地形式，也有的在底部為框的結(jié)構形式，而此種結(jié)構的受力點如下。

1.1 上部、下部剪力墻的受力關系

高層建筑中，以轉(zhuǎn)換層為界層的底部大空間剪力墻結(jié)構，其上半部分的所有剪力墻的變形曲線幾乎都一樣，幾乎是由水平外力產(chǎn)生的樓層剪力，再按各片剪力墻的等效剛度進行比例分配；而其下半部分因框支剪力墻的側(cè)向剛度迅速減小，從而引起底層框架承擔的水平力同樣急速變小，相反使落地剪力墻的底層承擔水平力得以急速增長。

1.2 高層建筑底層水平力的分配關系

高層建筑其底層的水平力的分配關系是通過轉(zhuǎn)換層樓板的剛度對內(nèi)力的傳遞作用而實現(xiàn)剪力的迅速改變。轉(zhuǎn)換層樓板在水平力的作用下順利的使上下樓層的剪力實現(xiàn)重新分配，但轉(zhuǎn)換層樓板本身同樣會在平面內(nèi)承受一個相當大的力，這個力使樓板產(chǎn)生較為明顯的平面內(nèi)變形，從而影響了關于樓板平面剛度無限大的基本假定。

1.3 底層框支柱和落地剪力墻的受力轉(zhuǎn)換

當?shù)讓涌蛑е吐涞丶袅Π吹刃偠葋矸峙渌搅r，由于框支柱的側(cè)向剛度通常不到剪力墻側(cè)向剛度的1%，所以在進行水平力分擔時，框支柱所能分擔的水平力是極其有限的，甚至可以忽略不計。但是如果當轉(zhuǎn)換層樓板發(fā)生變形時，處在框支柱區(qū)域內(nèi)的底層的水平位移將會達到最大，從而使框支柱實際受到的剪力要比理論分析所得到的剪力大得多。由于轉(zhuǎn)換層上下附近的受力狀況相對是比較復雜的，同時又鑒于以上底層框支柱和落地剪力墻的受力特點分析，需要在工程設計時對落地剪力墻和框支柱留有一定的安全儲備。

2 高層建筑梁、板式轉(zhuǎn)換層設計原則

2.1 轉(zhuǎn)換層的結(jié)構平面布局原則

在建筑工程的底部大多采用體型規(guī)則并且簡單的剪力墻結(jié)構作為框架，而工程上部則采用純剪力墻結(jié)構。在剪力墻平面布置上，南北向剛度中心與質(zhì)量中心的結(jié)構偏差不超過2m，東西則要完全對稱，這樣才能保證結(jié)構偏心率做到最小。除核心筒外，其余剪力墻布置需要盡量沿周邊進行布置，做到分散切均勻，這樣能更好的增強建筑物的抗扭性。從研究得出，當轉(zhuǎn)換層處于較高的位置，落地剪力墻和簡體會產(chǎn)生一定數(shù)量的受彎裂縫，直接導致框支柱的內(nèi)力增大，最終破壞轉(zhuǎn)換層上部附近的墻體。同時當?shù)撞哭D(zhuǎn)換層位置越高，轉(zhuǎn)換層上下剛度突變會越大，同時加上內(nèi)力的傳遞，這種突變會越加劇。從而我們得出，一旦轉(zhuǎn)換層位置越高，建筑物的抗震效果是不夠理想的。

2.2 轉(zhuǎn)換層的豎向布置原則

高層建筑轉(zhuǎn)換結(jié)構的布置原則主要是根據(jù)建筑功能和結(jié)構傳力的需要來進行安排的，不同的建筑風格可以進行靈活布置，同時也可以更加建筑的功能性需求，在樓層局部來布置轉(zhuǎn)換層，保證轉(zhuǎn)換層有足夠的剛度，盡量縮小豎向剛度的差距，這樣做的優(yōu)勢是既可以作為正常樓層來使用，還可以作為技術設備層。結(jié)合商住建筑的工程實踐經(jīng)驗，通常對于大底盤多塔樓的建筑，需要對屋面梁的尺寸和厚度進行加大，同時塔樓的轉(zhuǎn)換層設在裙房的屋面層，能有效的增強樓層的剛度，達到減小震害的目的。對部分框支剪力墻高層建筑結(jié)構，其轉(zhuǎn)換層的位置，7度區(qū)不宜超過第5層，8度區(qū)不宜超過第3層。

2.3 轉(zhuǎn)換層的抗震設計要求

轉(zhuǎn)換層的抗震設計要求，放在首位的即為安全性能。根據(jù)安全規(guī)定，框支剪力墻結(jié)構轉(zhuǎn)換層的位置大部分都設置在3層之上，同時對框支柱、剪力墻底部需要按照高級規(guī)定來加強各部位的抗震等級，提高建筑的抗震構造的安全性。在進行8度抗震設計的考慮時，應結(jié)合豎向地震作用的相關影響，對轉(zhuǎn)換層的轉(zhuǎn)換構件水平地震作用的內(nèi)力計算需做增大處理。而對于底部帶轉(zhuǎn)換層的框架，其外圍為密柱框架的簡中簡結(jié)構的抗震等級則不需要提高。

3 高層建筑梁、板式轉(zhuǎn)換層結(jié)構設計要點

3.1 梁、板式轉(zhuǎn)換層結(jié)構設計的原則

3.1.1 避免多次轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)直接傳力

在對高層建筑梁、板轉(zhuǎn)換層上下主體豎向結(jié)構進行設計時，最重要的是盡量減少或避免水平梁與轉(zhuǎn)換次粱之間在水平方向的多次、多級轉(zhuǎn)換，盡量實現(xiàn)傳力路徑最短化。比如，我們可以通過水平轉(zhuǎn)換結(jié)構來進行直接傳力，使不落地的剪力墻通過轉(zhuǎn)換托梁直接傳給豎向承重構件，以實現(xiàn)結(jié)構的合理布置。

3.1.2 弱化上部、確保底部

高層建筑的轉(zhuǎn)換層在空間設計要求上要達到一個合適的剛度、強度，以強化轉(zhuǎn)換層底部主體結(jié)構的剛度，同時弱化了其上部結(jié)構，從而使轉(zhuǎn)換層上下部主體結(jié)構的剛度更好的接近變形特征，達到規(guī)避薄弱層的目的，進而提高建筑物的延性和抗震力。

3.1.3 精確計算轉(zhuǎn)換層結(jié)構

轉(zhuǎn)換結(jié)構作為建筑物整體結(jié)構的重要組成部分，需要對轉(zhuǎn)換層進行精確計算。尤其是對建筑的三維整體空間結(jié)構要進行全面的、準確的、實時的受力變形計算。一般采用的方式是有限元方法，運用這種計算需要取2層結(jié)構（選擇轉(zhuǎn)換結(jié)構以上位置）進入局部計算模型，還要對轉(zhuǎn)換層及所有樓層樓蓋平面內(nèi)的剛度進行測算，以及轉(zhuǎn)換層實際結(jié)構三維空間的實際邊界進行正確計算。

3.2 轉(zhuǎn)換層結(jié)構的構件設計

轉(zhuǎn)換層結(jié)構由于豎向結(jié)構的剛度易突變，從而導致了豎向抗側(cè)力構件產(chǎn)生不連續(xù)且容易使水平力在途徑的轉(zhuǎn)換層發(fā)生突變，尤其是遇到強震，在強震作用下，轉(zhuǎn)換層結(jié)構更容易產(chǎn)生薄弱部位。因此在轉(zhuǎn)換層結(jié)構構件的抗震設計中，需要對轉(zhuǎn)換層上下剛度比進行嚴格控制，同時還要采取相應的措施，對轉(zhuǎn)換層及附近層結(jié)構構件包括轉(zhuǎn)換柱、轉(zhuǎn)換梁、落地墻、轉(zhuǎn)換層上下各兩層樓板等構件進行強化加固，以保證水平剪力能實現(xiàn)有效的傳遞，確保結(jié)構底層在強震下有足夠的延性。

3.3 轉(zhuǎn)換層分析計算

我們在轉(zhuǎn)換層分析計算時，要分析結(jié)合樓層平面內(nèi)剛度的影響，要采用符合現(xiàn)狀的正確計算模型（切切不能忽略轉(zhuǎn)換結(jié)構的上下樓層的局部計算模型的計算）。最后，要采用有限元計算軟件對轉(zhuǎn)換層本身進行局部應力的補充計算。通常，框支剪力墻的計算需要考慮的因素很多，由于上部剪力墻與多根柱是相連接的，因此相對是比較復雜的，處理不當就會產(chǎn)生較大的計算誤差。針對底部框支剪力墻，值得注意的是，在計算時需要以柱單元來進行考慮，同時需要把上部剪力墻肢與下部轉(zhuǎn)換柱全部設為轉(zhuǎn)換梁。

3.4 轉(zhuǎn)換梁的截面設計方法

如果，我們所選擇的設計方法為托柱形式轉(zhuǎn)換梁的截面設計，那就需要按普通梁截面設計方法來進行配筋計算（一般要控制在轉(zhuǎn)換梁承托上部普通框架常用截面的尺寸范圍內(nèi)）。一般來說，轉(zhuǎn)換梁的截面設計方法首先應對轉(zhuǎn)換梁作出有限元分析，以此獲得相關的應力分布規(guī)律及相關數(shù)據(jù)，然后針對分布規(guī)律及相關數(shù)據(jù)計算出截面配筋，與此同時，在忽略混凝土的抗拉作用的前提下，直接應用轉(zhuǎn)換梁有限元法分析方法對應力大小做出計算，對由鋼筋承擔的受壓區(qū)，當然，混凝土的強度必需達到軸心抗壓強度設計值。

3.5 托墻形式轉(zhuǎn)換梁截面設計

如果所選擇的設計方法為轉(zhuǎn)換梁承托上部斜桿框架，這時轉(zhuǎn)換梁會受到一種軸向拉力，我們在設計時應考慮到偏心受拉構件，并以此進行截面設計。更具體地說，當轉(zhuǎn)換梁承托上部墻體滿跨不開洞時，轉(zhuǎn)換梁和上部墻體會同一時間受力且同一時間作用，而這種同時受力同時作用的形態(tài)通常呈現(xiàn)一種深梁形式，此時轉(zhuǎn)換梁截面設計方法比較適宜采用應力截面設計或深梁截面設計，以此得出縱向鋼筋應沿全梁高合理分布配置。而采用應力截面設計時，轉(zhuǎn)換梁跨中會受到一個大范圍的內(nèi)力，而此內(nèi)力至使其底部的縱向鋼筋不易彎起或截斷，需要全部進入支座中。假如轉(zhuǎn)換梁承托上部墻體為小墻肢設計時，轉(zhuǎn)換梁的配筋計算可以按普通截面設計方法進行，同時縱向鋼筋也可按普通梁集中布置在轉(zhuǎn)換梁的底部。

4 結(jié)語

綜上所述，高層建筑梁、板式轉(zhuǎn)換層結(jié)構設計需要考慮到的細節(jié)是多方面的，需要建筑結(jié)構中的每個環(huán)節(jié)進行配合，因此是一個非常龐大且復雜的工程。建筑梁、板式轉(zhuǎn)換層的設計也對建筑工程師提出了較高的要求，需要工程師在設計時從建筑全局來進行把控，切不可顧此失彼。

[1] 許珍.對高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構設計的探討[J].福建建材，2011（08）.

[2] 劉大勇.淺析高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構設計原則和注意事項[J].廣東科技，2009（06）.

[3] 王昕.淺談梁式轉(zhuǎn)換層構建設計需要考慮的問題[J].民營科技，2011（01）.