梁式轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蘇光能

摘要：由于城市人口的急劇增長(zhǎng)，同日漸減少的建筑面積形成了矛盾，所以，高層建筑在現(xiàn)代的發(fā)展非常迅速，人們對(duì)于高層建筑的功能需求越來(lái)越多。梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)作為高層建筑中能夠?qū)崿F(xiàn)垂直轉(zhuǎn)換的構(gòu)件得以廣泛應(yīng)用。本文通過(guò)對(duì)梁式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)形式與受力特點(diǎn)分析，探了梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則和構(gòu)造的方法，為相關(guān)設(shè)計(jì)工作者提供一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：高層建筑；梁式轉(zhuǎn)換層；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)： TU208 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

隨著改革開(kāi)放的不斷深入，社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)得到了發(fā)展，城市建設(shè)的步伐日新月異，人們對(duì)高層建筑的需求也越來(lái)越多。高層建筑尤其是綜合化、體型復(fù)雜化的多功能建筑成為城市建設(shè)的發(fā)展趨向。在同一座建筑中，由于各個(gè)樓層被賦予的功能不同，上部樓層可能用于辦公，中部樓層用于旅館、住宅，而下部用于文化設(shè)施、商店和餐館。加之建筑功能對(duì)空間的要求與結(jié)構(gòu)的正常布置相反，因此必須在有結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的樓層設(shè)置轉(zhuǎn)換構(gòu)件，即轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)作為高層建筑中能夠?qū)崿F(xiàn)垂直轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)形式，以傳力直接、作用明顯、施工方便等優(yōu)勢(shì)在高層建筑中被廣泛應(yīng)用。

一、高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則

、減少豎向構(gòu)件

在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換時(shí)，盡可能的減少豎向構(gòu)件，豎向構(gòu)件存在的越多，那么所需要轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)就會(huì)越少，所以轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的剛度的突變也就越來(lái)越小，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的抗震就越有不利。

、轉(zhuǎn)換柱以及剪力墻應(yīng)對(duì)稱(chēng)布置

對(duì)于轉(zhuǎn)換柱和剪力墻設(shè)置的時(shí)候盡量讓它們對(duì)稱(chēng)，梁上面的立柱最好是轉(zhuǎn)換成梁跨中，以免在轉(zhuǎn)換梁變形的時(shí)候，在梁上面立柱的柱腳位置出現(xiàn)轉(zhuǎn)角較大的情況，而且?guī)?dòng)立柱的柱腳發(fā)生非常大的變形，導(dǎo)致柱的剪切和彎曲，致使立柱造成非常大的內(nèi)力導(dǎo)致超筋。

、強(qiáng)化轉(zhuǎn)換層下部主體的結(jié)構(gòu)剛度

為了保證建筑物下部整體結(jié)構(gòu)的抗震、延性、強(qiáng)度以及剛度等能力，應(yīng)該對(duì)轉(zhuǎn)換層下部的主體結(jié)構(gòu)盡量的強(qiáng)化其結(jié)構(gòu)的剛度，對(duì)于轉(zhuǎn)換層上部進(jìn)行弱化結(jié)構(gòu)剛度，使得轉(zhuǎn)換層的上下部的結(jié)構(gòu)變形以及結(jié)構(gòu)剛度特征接近。一般多采取提高混凝土的強(qiáng)度等級(jí)、增加轉(zhuǎn)換層下部主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸、增設(shè)剪力墻等很多方法對(duì)其下部主體結(jié)構(gòu)的剛度進(jìn)行強(qiáng)化。當(dāng)然了這里有兩方面的問(wèn)題需要注意:第一方面，通常在增設(shè)剪力墻用來(lái)提高高抗側(cè)剛度的時(shí)候，需要注意建筑結(jié)構(gòu)的整體剛度要均勻的分布開(kāi)，保證質(zhì)量的中心以及剛度的中心盡量能夠重合，以免兩者的中心偏移，引發(fā)建筑物的整體結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn);第二方面，如果簡(jiǎn)體截面的尺寸增大，會(huì)導(dǎo)致簡(jiǎn)體在整個(gè)下部結(jié)構(gòu)抗側(cè)總剛度之中占的比重更大，并且建筑結(jié)構(gòu)地震的總反應(yīng)也會(huì)增大，這樣一來(lái)簡(jiǎn)體所能承受的抗震荷載的級(jí)數(shù)有增大的趨勢(shì)，簡(jiǎn)體的安全設(shè)計(jì)做為抗震的第一層防線，這個(gè)環(huán)節(jié)必須重視起來(lái)。

、保證轉(zhuǎn)換層具有足夠的剛度

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須要對(duì)轉(zhuǎn)換層的剛度有著足夠的保障，通常要求梁的高度大于跨度的12%，才能更好的保障內(nèi)力在下部構(gòu)件和轉(zhuǎn)換層中合理的分配，剪力墻柱和轉(zhuǎn)換梁的受力性能都比較好，才能對(duì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換起到較好的作用。

、轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)位置可低不可高

當(dāng)轉(zhuǎn)換層的位置偏高時(shí)，容易造成框支剪力墻結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)換層附近的內(nèi)力和剛度都會(huì)降低，不利于抗震設(shè)計(jì)，而且抗震設(shè)計(jì)的底層框支剪力強(qiáng)結(jié)構(gòu)和概念結(jié)構(gòu)都存在著差別。在必須使用高位轉(zhuǎn)換的時(shí)候，必須要控制轉(zhuǎn)換層下部框支結(jié)構(gòu)相同效率的剛度，也就是軸向變形、剪切、彎曲等的剛度需要重點(diǎn)考慮，這一措施對(duì)減少層間內(nèi)力突變以及未移角都顯得非常重要。與此同時(shí)，對(duì)落地剪力墻的間距限制必須要比底層框支剪力墻結(jié)構(gòu)要求更加嚴(yán)格。

、帶轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)計(jì)算要求全面

轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)是建筑整體結(jié)構(gòu)中一個(gè)重要部分，在實(shí)際的受力變形狀態(tài)計(jì)算模型的時(shí)候，應(yīng)進(jìn)行三維空間的整體結(jié)構(gòu)分析，比如可以應(yīng)用有限元的方法來(lái)對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)實(shí)施局部的補(bǔ)充和計(jì)算。與此同時(shí)，在轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)以上的部分最少要選擇兩層的結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部計(jì)算模型，而且還要注意使用中的模型外界條件必須符合實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)。

二、梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式與受力特點(diǎn)

一般來(lái)說(shuō)，高層建筑由于自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，下部承受的壓力隨著高度的增加逐漸變大，因此在高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中需要考慮下部結(jié)構(gòu)的承受力比上部結(jié)構(gòu)大。然而，在實(shí)際的高層建筑設(shè)計(jì)中需要考慮反常規(guī)設(shè)計(jì)方法，理由是建筑使用功能對(duì)空間要求卻是下部大空間，往上部逐漸減小。從《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CTGJ3-2010)中轉(zhuǎn)換層樓板應(yīng)滿足條件的規(guī)定，可以看出為了保證轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)的整體剛度以及可靠性采取的限制措施。

、梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式

轉(zhuǎn)換梁的結(jié)構(gòu)形式在實(shí)際工程應(yīng)用中是多種多樣:第一，從轉(zhuǎn)換梁功能和形式上可分為:托柱和托墻、加腋和不加腋;第二，從跨數(shù)上可分為:單跨、雙跨和多跨;第三，從轉(zhuǎn)換梁用料上又可分為:鋼結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力混凝土、鋼筋混凝土及鋼骨混凝土等;第四，從上部墻體形式上可分為:開(kāi)洞和不開(kāi)洞、開(kāi)門(mén)洞和開(kāi)窗洞及滿跨和不滿跨。總的來(lái)說(shuō)，基本原理就是使上部結(jié)構(gòu)能利用下部的轉(zhuǎn)換大梁來(lái)支撐。

（二）、梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)

梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的傳力途徑為墻一梁一柱(墻)的形式，具有傳力明確、清晰、直接的特點(diǎn)。轉(zhuǎn)換大梁作為梁式轉(zhuǎn)換層的主要受力構(gòu)件，其受力大小與受力形式受上部剪力墻剛度、轉(zhuǎn)換梁的位置以及下部支撐結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)換大梁的相對(duì)剛度等因素的影響。

三、計(jì)算要求

、轉(zhuǎn)換大梁的設(shè)計(jì)

梁式轉(zhuǎn)換層的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大致分成兩部分:第一部分，轉(zhuǎn)換層大梁是柱傳下來(lái)的豎向荷載或者是承托建筑結(jié)構(gòu)上部剪力墻的重要組成構(gòu)件，其本身的受力比較大，也是做為整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)抗震安全的重要部位;第二部分，轉(zhuǎn)換層的樓板需要將建筑結(jié)構(gòu)上層的水平剪力傳遞給下層的抗剪結(jié)構(gòu)中去，其本身所承受的平面內(nèi)剪力就比較大，而且還承受著一部分的豎向荷載，所以，必須要求建筑樓板有著足夠的剛度和強(qiáng)度。我們?cè)趯?shí)際的設(shè)計(jì)當(dāng)中，一半是采用三維空間的分析程序，技術(shù)要求非常高，并且轉(zhuǎn)換大梁設(shè)計(jì)在整個(gè)的建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中都有著重要的作用，應(yīng)該引起高度的重視。

、分析計(jì)算轉(zhuǎn)換層

建筑整體結(jié)構(gòu)計(jì)算完畢之后，還應(yīng)該對(duì)轉(zhuǎn)換層采取平面有限元計(jì)算，并且對(duì)局部的應(yīng)力進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)充計(jì)算。在實(shí)施局部計(jì)算分析的時(shí)候，應(yīng)該考慮轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)樓層房蓋的平面內(nèi)剛度的影響，以及上下樓層能否進(jìn)入局部的計(jì)算模式中進(jìn)行計(jì)算，我們還需要注意實(shí)際結(jié)構(gòu)的三維空間盒子的效應(yīng)，以及符合實(shí)際操作的情況下進(jìn)行正確的計(jì)算模型。實(shí)踐得出，框支剪力墻計(jì)算非常的復(fù)雜，其下部許多跟柱與上部的剪力墻是相連接的，假如這樣的連接存在著不當(dāng)連接，那么極有可能出現(xiàn)較大的計(jì)算誤差。建筑空間的分析程序主要是以梁柱做為基本元素，而對(duì)底部框支剪力墻進(jìn)行分析的時(shí)候，是以剪力墻做為柱的基本元素而考慮的。

四、梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與構(gòu)造

（一）、轉(zhuǎn)換梁的設(shè)計(jì)與構(gòu)造要求

一般情況下，轉(zhuǎn)換梁不宜開(kāi)洞，如果必須要開(kāi)洞的話，洞口最好設(shè)計(jì)在梁中和軸附近。轉(zhuǎn)換梁上部主筋全長(zhǎng)貫通的比例至少應(yīng)有50%，下部主筋應(yīng)全部貫通伸入柱內(nèi)。非抗震設(shè)計(jì)時(shí)，轉(zhuǎn)換梁上、下主筋的最小配筋率為0.3%;抗震設(shè)計(jì)時(shí)，一、二、三和四級(jí)抗震等級(jí)分別為0.5%、0.4%、0.35%和0.35%。轉(zhuǎn)換梁中主筋不宜有接頭;若存在接頭時(shí)，應(yīng)采用機(jī)械連接，并保證同一截面內(nèi)鋼筋接頭面積不超過(guò)主筋截面積的50%，接頭位置盡量避開(kāi)梁上托柱、上部剪力墻及受力較大部位。

（二）、框支柱的設(shè)計(jì)與構(gòu)造要求

一般情況下，可通過(guò)計(jì)算框支柱軸壓比的方式確定其截面尺寸。抗震設(shè)計(jì)時(shí)，框支柱配筋需要按柱頂彎矩設(shè)計(jì)值進(jìn)行，該設(shè)計(jì)值由柱頂彎矩乘以放大系數(shù)放大后得到;有地震組合時(shí)，由于地震作用帶給一級(jí)、二級(jí)框支柱所承受軸力設(shè)計(jì)值的變化應(yīng)分別乘以1.50、1.25的放大系數(shù)予以調(diào)整。

抗震等級(jí)為一、二、三和四級(jí)時(shí)，框支柱全部縱向鋼筋配筋率分別不小于1.2%、1.0%、0.9%}0.8%?？拐鹪O(shè)計(jì)時(shí)，全部縱向鋼筋配筋率不宜大于4%，縱向鋼筋間距的范圍是80-200mm。

框支柱應(yīng)采用沿框支層全高加密的箍筋方式，而框支柱水平箍筋可通過(guò)與柱箍筋相互配置的方式完成。

（三）、轉(zhuǎn)換梁的截面設(shè)計(jì)方法

目前國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計(jì)方法有:普通梁截面設(shè)計(jì)方法、偏心受拉構(gòu)件截面設(shè)計(jì)方法、深梁截面設(shè)計(jì)方法以及應(yīng)力截面設(shè)計(jì)方法。其中應(yīng)用轉(zhuǎn)為廣浮的是應(yīng)力截而設(shè)計(jì)方法。

總而言之，在進(jìn)行高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，我們需要做好充足的準(zhǔn)備，首先需要具備應(yīng)有的理論性知識(shí)，并且在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，對(duì)容易出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行很好的預(yù)防，做好細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)，以免由于細(xì)節(jié)上的問(wèn)題導(dǎo)致建筑在日后的使用中出現(xiàn)安全的隱患。在每次的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該總結(jié)設(shè)計(jì)中的不足，并且對(duì)其改正，確保下個(gè)建筑的設(shè)計(jì)不會(huì)出現(xiàn)同樣的問(wèn)題，進(jìn)而促進(jìn)建筑工程項(xiàng)目的良好竣工，促進(jìn)我國(guó)建筑行業(yè)的發(fā)展。

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