梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

胡曉京

(新余市建筑設(shè)計院，江西 新余 338000)

1 梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式

高層建筑結(jié)構(gòu)下部受力比上部大，按常理來說，在高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計中就要考慮下部的剛度要大于上部結(jié)構(gòu)，采用的措施就是下部增加墻體、增加柱網(wǎng)，而上部逐漸減少墻柱的密度。顯然，這在高層建筑設(shè)計中是不現(xiàn)實的，因為高層建筑的使用功能對空間要求卻是下部大空間，往上部逐漸減小，因此對高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計就要考慮反常規(guī)設(shè)計方法。在《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3－2002)中，規(guī)范對轉(zhuǎn)換梁的最小高度和寬度作如下規(guī)定:框支梁截面的寬度不宜大于框支柱相應(yīng)方向的截面寬度，不宜小于其上墻體截面厚度的2倍，且不易小于400mm;當梁上托柱時，尚不應(yīng)小于梁寬方向的柱截面寬度。進行抗震設(shè)計時轉(zhuǎn)換梁高不小于其跨度的1/6;非抗震設(shè)計時，轉(zhuǎn)換梁高不小于跨度的1/8。從該設(shè)計規(guī)程中可知，采取這些限制主要是保證轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)的整體剛度，增強結(jié)構(gòu)的可靠性。

1.1 梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式

實際工程中應(yīng)用的梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)有多種形式，主要原理就是利用下部的轉(zhuǎn)換大梁來支托上部結(jié)構(gòu)。

1.2 梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)受力機理分析

梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的傳力途徑為墻—梁—柱(墻)的形式，傳力直接，便于分析計算。轉(zhuǎn)換大梁的受力主要受上部剪力墻剛度、剪力墻與轉(zhuǎn)換大梁的相對剛度和轉(zhuǎn)換大梁與下部支撐結(jié)構(gòu)的相對剛度影響。為弄清轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)與上部墻體共同工作的性能，文獻中已對轉(zhuǎn)換梁承托層數(shù)對其內(nèi)力的影響進行用有限元程序進行了分析，從分析結(jié)果中我們知道，對一般結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換大梁(跨度小于12m)，上部墻體考慮三層與考慮4層、5層內(nèi)力的設(shè)計控制內(nèi)力差異不大于5%，故在分析計算時可只考慮計算3層。從計算分析不論轉(zhuǎn)換大梁上部墻體的形式如何，只要墻體有一定長度，轉(zhuǎn)換大梁中的彎矩就會比不考慮上部墻體作用要小，同時轉(zhuǎn)換大梁也會有一段范圍出現(xiàn)受拉區(qū)。主要原因:①由于轉(zhuǎn)換大梁處于結(jié)構(gòu)整體彎曲的受拉區(qū)，應(yīng)力積分后在轉(zhuǎn)換大梁中就會出現(xiàn)軸向拉力;②由于上部墻體豎向力作用于轉(zhuǎn)換大梁時形成了拱的傳力方式，這樣豎向力轉(zhuǎn)變成斜向力作用于轉(zhuǎn)換大梁，從而在轉(zhuǎn)換大梁跨中出現(xiàn)拉力，支座出現(xiàn)軸向壓力的情況。

2 梁式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

2.1 結(jié)構(gòu)豎向布置

高層建筑的側(cè)向剛度宜下大上小，且應(yīng)避免剛度突變1然而帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)顯然有悖于此，因此文獻[1]對轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度作了專門規(guī)定1對該工程而言，屬于“高位轉(zhuǎn)換”。轉(zhuǎn)換層上下等效側(cè)向剛度比宜接近于1，不應(yīng)大于1.3。在設(shè)計過程中，應(yīng)把握的原則歸納起來，就是要強化下部，弱化上部。可以采用的方法有以下幾種:

(1)與建筑專業(yè)協(xié)商，使盡可能多的剪力墻落地，必要時甚至可在底部增設(shè)部分剪力墻(不伸上去)。除核心筒部分剪力墻在底部必須設(shè)置外，還與建筑專業(yè)協(xié)商后，讓兩側(cè)各有一片剪力墻落地1這些無疑都大大增強了底部剛度。

(2)加大底部剪力墻厚度。轉(zhuǎn)換層以下剪力墻中，核心筒部分的厚度取為600mm，其余部分的厚度取為400mm。

(3)底部剪力墻盡量不開洞或開小洞，以免剛度削弱太大。

(4)提高底部柱、墻混凝土強度等級，采用C50混凝土(框支柱采用C50混凝土)。

(5)適當減少轉(zhuǎn)換層上部剪力墻數(shù)目，控制剪力墻厚度，并可在某些較長剪力墻中部開結(jié)構(gòu)洞(結(jié)構(gòu)施工完畢后再用填充墻填實)，以弱化上部剛度。弱化上部剛度不僅對控制剛度比有利，還可減輕建筑物重量，減小框支梁承受的荷載;增大結(jié)構(gòu)自振周期，減小地震作用力。工程綜合采用上述幾種方法后，轉(zhuǎn)換層上下剛度比在X方向為0.725，在Y方向為0.813，滿足規(guī)范要求，效果良好。雖然上下部剛度比滿足要求，但畢竟工程仍屬于豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層及其下各層為結(jié)構(gòu)薄弱層，因而應(yīng)將該兩層的地震剪力乘以1.15的增大系數(shù)。

2.2 結(jié)構(gòu)平面布局

工程底部為框架－剪力墻結(jié)構(gòu)，體型簡單、規(guī)則;上部為純剪力墻結(jié)構(gòu)。在剪力墻平面布置上，東西向完全對稱，南北向質(zhì)量中心與剛度中心偏差不超過2m，結(jié)構(gòu)偏心率較小。除核心筒外，其余剪力墻布置分散、均勻;且盡量沿周邊布置，以增強抗扭效果。查閱計算結(jié)果，扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比為0.85，各層最大水平位移與層間位移比值不大于1.3，均滿足平面布置及控制扭轉(zhuǎn)的要求?？梢姽こ唐矫娌季忠?guī)則合理，抗扭效果良好。

3 轉(zhuǎn)換構(gòu)件設(shè)計要求

3.1 框支柱

框支柱截面尺寸主要由軸壓比控制并應(yīng)滿足剪壓比要求。為保證框支柱具有足夠延性，對其軸壓比應(yīng)嚴格控制。工程框支柱抗震等級為特一級，軸壓比不得大于0.6，對部分因截面尺寸較大而形成的“短柱”，不得大于0.55。柱截面延性還與配箍率有密切關(guān)系，因而框支柱的配箍率也比一般框架柱的大得多。箍筋不得小于φ10@100，全長加密，且配箍率不得小于1.5%。在工程中，個別框支柱還兼做剪力墻端柱，所以還應(yīng)滿足約束邊緣構(gòu)件配箍特征值不小于0.2的要求，折算成配箍率(C50混凝土)即為2.64%?？蛑е鶠榉浅Ｖ匾臉?gòu)件，為增大安全性，對柱端剪力及柱端彎矩均要乘以相應(yīng)的增大系數(shù)，每層框支柱承受剪力之和應(yīng)取基底剪力的30%。因為程序計算時，一般假定樓板剛度無限大，水平剪力按豎向構(gòu)件的剛度分配。底部剪力墻剛度遠大于框支柱，使得框支柱剪力非常小。然而考慮到實際工程中樓板的變形以及剪力墻出現(xiàn)裂縫后剛度的下降，框支柱剪力會增加。因而對框支柱的剪力增大作了單獨規(guī)定。另外，為了加強轉(zhuǎn)換層上下連接，框支柱上部墻體范圍內(nèi)的縱筋應(yīng)伸入上部墻體內(nèi)一層;其余在墻體范圍外的縱筋則水平錨入轉(zhuǎn)換層梁板內(nèi)，滿足錨固要求。

3.2 框支梁

框支梁截面尺寸一般由剪壓比控制，寬度不小于其上墻厚的2倍，且不小于400mm;高度不小于計算跨度的1/6。工程框支梁梁寬統(tǒng)一定為800mm?？蛑Я菏芰薮笄沂芰η闆r復(fù)雜，它不但是上下層荷載的傳輸樞紐，也是保證框支剪力墻抗震性能的關(guān)鍵部位，是一個復(fù)雜而重要的受力構(gòu)件，因而在設(shè)計時應(yīng)留有較多的安全儲備，特一級抗震等級的框支梁縱筋配筋率不得小于0.6%。框支梁在滿足計算要求下，配筋率不小于0.8%?？蛑Я阂话銥槠氖芾瓨?gòu)件，梁中有軸力存在，因而應(yīng)配置足夠數(shù)量的腰筋。腰筋采用φ16，沿梁高間距不大于200mm，并且應(yīng)可靠錨入支座內(nèi)?？蛑Я菏芗艉艽?，而且對于這樣的抗震重要部位，更應(yīng)強調(diào)“強剪弱彎”原則，在縱筋已有一定富余的情況下，箍筋更應(yīng)加強。箍筋統(tǒng)一采用φ14×100八肢箍全長加密，配箍率達到1.53%，遠大于特一級級抗震條件下框支梁的配箍率要求。

3.3 轉(zhuǎn)換層樓板

框支剪力墻結(jié)構(gòu)以轉(zhuǎn)換層為分界，上下兩部分的內(nèi)力分布規(guī)律是不同的。在上部樓層，外荷載產(chǎn)生的水平力大體上按各片剪力墻的等效剛度比例分配;而在下部樓層，由于框支柱與落地剪力墻間的剛度差異，水平剪力主要集中在落地剪力墻上，即在轉(zhuǎn)換層處荷載分配產(chǎn)生突變。轉(zhuǎn)換層樓板承擔著完成上下部分剪力重分配的任務(wù);并且由于轉(zhuǎn)換層樓板自身平面內(nèi)受力很大，而變形也很大，所以轉(zhuǎn)換層樓板必須有足夠的剛度作保證。轉(zhuǎn)換層樓板采用C50混凝土，厚度180mm。φ14@150鋼筋雙層雙向整板拉通，配筋率達到0.28%。另外，為了協(xié)助轉(zhuǎn)換層樓板完成剪力重分配，將該層以上兩層及以下各層樓板也適當加強，均取厚度150mm。

4 結(jié)束語

通過高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計的工程實踐，體會如下:根據(jù)建筑平面及功能要求合理選擇轉(zhuǎn)換層形式，正確選擇建筑抗震類別是轉(zhuǎn)換層設(shè)計的關(guān)鍵點，結(jié)合結(jié)構(gòu)布置，正確選擇各分部的抗震等級，構(gòu)件設(shè)計應(yīng)注重抗震延性設(shè)計的概念，對主要構(gòu)件進行加強是設(shè)計的重點。