淺析高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蔡光正 施金哲

（浙江花園建設(shè)集團(tuán)有限公司 浙江東陽(yáng) 322121）

淺析高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蔡光正 施金哲

（浙江花園建設(shè)集團(tuán)有限公司 浙江東陽(yáng) 322121）

梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)于提高高層建筑的安全性和穩(wěn)定性具有重要的作用，因此高層建筑單位必須抓好梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工工作，在保障建筑施工質(zhì)量的同時(shí)，進(jìn)一步提高高層建筑的多樣化功能發(fā)揮。本文通過(guò)對(duì)高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，簡(jiǎn)單概述了梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求和原則，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探討了高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和構(gòu)造方法，希望能對(duì)從事相關(guān)行業(yè)的工作人員提供參考。

高層建筑；梁式轉(zhuǎn)換層；設(shè)計(jì)原則；方法

1 引言

近些年來(lái)，隨著中國(guó)新經(jīng)濟(jì)體制的逐漸深入與城鎮(zhèn)化進(jìn)程的逐漸增快，部分高層建筑獲得了迅速發(fā)展，而且國(guó)內(nèi)高層房屋正在向著內(nèi)部空間變化多、功用多元化與體型繁雜化、復(fù)合性方向發(fā)展，該行業(yè)的發(fā)展已逐步接近全球領(lǐng)先水平。在同樣的一座房屋中，房屋的總體性能獲得了很大程度的開(kāi)發(fā)，特別是在順著房屋高度方向房屋性能產(chǎn)生了繁雜的立體變化，下半部分房屋作為餐廳、賓館，中間部分一般作為工作場(chǎng)所，上半部分一般用于居住。不難看出，目前高層建筑對(duì)于功能的實(shí)現(xiàn)與其結(jié)構(gòu)的正常布置正好相反，所以，必須在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換樓層設(shè)置相應(yīng)的水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件，高層建筑的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也逐漸成為當(dāng)前高層建筑的發(fā)展重點(diǎn)。

2 高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則

2.1 轉(zhuǎn)換層的豎向布置

轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)可以根據(jù)不同建筑物對(duì)于功能的要求，在樓層進(jìn)行局部的轉(zhuǎn)換層布置，也可以根據(jù)建筑物對(duì)于結(jié)構(gòu)傳力的需要，沿著高度方向進(jìn)行多處或者一處的靈活布置，其自身的空間可以用作技術(shù)設(shè)備層，也可以當(dāng)作正常使用的樓層，但是無(wú)論使用哪種布置方法，均要確保轉(zhuǎn)換層達(dá)到指定的硬度，避免房屋縱向的硬度產(chǎn)生很大的差異。當(dāng)房屋比較高柔時(shí)，其總體的硬度或許不達(dá)標(biāo)。比如框架——筒體架構(gòu)的高層房屋，此時(shí)就能夠在房屋縱向的恰當(dāng)?shù)胤皆鎏砑訌?qiáng)層，此種水平剛性樓層可以在很大程度上增強(qiáng)總體房屋架構(gòu)的彎曲效應(yīng)，而此種狀況下的轉(zhuǎn)換層的設(shè)置便能夠和房屋的設(shè)施層與加強(qiáng)層等加以整體設(shè)計(jì)。對(duì)部分底盤(pán)面積大并且樓塔比較多的高層商用房屋而言，樓塔的轉(zhuǎn)換層應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)在裙房的屋面層，而且為了防止中間有硬度十分小的樓層，要進(jìn)一步加大屋面的板、梁厚度和尺寸，從而減小震害。在對(duì)一些部分框支剪力墻的高層建筑進(jìn)行轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)時(shí)，Ⅷ度區(qū)的轉(zhuǎn)換層位置不能超過(guò)第3層，Ⅶ度區(qū)的轉(zhuǎn)換層位置也最好不要超過(guò)第5層。

2.2 轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件在平面上的布置

為了解決上、下層柱列的疏密度不均勻的問(wèn)題，并擴(kuò)大底層入口，可以在平面角筒上或者周邊列柱上布置相應(yīng)的水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件[見(jiàn)圖1（a）、（b）]。當(dāng)建筑平面和芯筒都呈圓形時(shí)，轉(zhuǎn)換層構(gòu)件可以進(jìn)行放射性的布置[見(jiàn)圖1（c）]。當(dāng)建筑要求內(nèi)部空間要盡量的敞開(kāi)且自由時(shí)，有兩種設(shè)計(jì)方法：①沿著縱向和橫向進(jìn)行轉(zhuǎn)換梁的平行布置[見(jiàn)圖1（d）、（e）]，也可以沿著這兩個(gè)方向進(jìn)行雙向布置[見(jiàn)圖1（f）]；②相鄰層進(jìn)行互相垂直的布置，或者根據(jù)建筑平面柱網(wǎng)的變化進(jìn)行合理布置[見(jiàn)圖1（g）、（h）]；需要注意的是，當(dāng)轉(zhuǎn)換梁上部是剪力墻的時(shí)候，最好不要采用梁搭梁的間接傳力形式，并且必須設(shè)置有支撐柱，另一方面，為了避免大梁受到過(guò)大的扭矩，轉(zhuǎn)換梁上部的構(gòu)件最好要落到其中面上。

圖1

2.3 轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)布置

諸多的探究與核算剖析證明，高層房屋的轉(zhuǎn)換層地點(diǎn)愈高，其轉(zhuǎn)換層上半部分的內(nèi)力與下半部分的內(nèi)力傳輸通道與上半部分的剛性與下半部分的剛性的突然變化就更大并且落地簡(jiǎn)體與剪力墻也較易產(chǎn)生受彎裂縫，進(jìn)而增大框支柱的內(nèi)力，造成轉(zhuǎn)換層上半部分周邊的墻體較易被破壞。此外，高層房屋的轉(zhuǎn)換層地點(diǎn)愈高，房屋總體的抗震性也會(huì)愈弱。因此，在對(duì)高層房屋轉(zhuǎn)換層的架構(gòu)加以設(shè)計(jì)時(shí)，其上半部分架構(gòu)與下半部分架構(gòu)的側(cè)向剛性比應(yīng)當(dāng)達(dá)到高規(guī)附錄E的要求。底盤(pán)部分帶轉(zhuǎn)換層架構(gòu)，應(yīng)當(dāng)在轉(zhuǎn)換層的上面設(shè)計(jì)安全、穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換構(gòu)件確保其縱向的構(gòu)件不會(huì)持續(xù)貫通落地，依照當(dāng)前的探究結(jié)果而項(xiàng)目實(shí)際建設(shè)經(jīng)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)換構(gòu)建能夠運(yùn)用箱型架構(gòu)、大梁、一定厚度的木板、桁架等方式。

3 高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與構(gòu)造方法

3.1 轉(zhuǎn)換梁的截面設(shè)計(jì)方法

（1）普通梁截面設(shè)計(jì)方法

這種設(shè)計(jì)方法是目前運(yùn)用比較普遍的一種，其主要是借助相關(guān)的計(jì)算分析程序例如TAT、PKPM系列輔助軟件和TBSA等對(duì)轉(zhuǎn)換梁內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算，再根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定受構(gòu)件的承載力。

（2）偏心受拉構(gòu)件截面設(shè)計(jì)方法

偏心受拉構(gòu)件截面設(shè)計(jì)方法的重點(diǎn)在于截面應(yīng)力的換算，即將轉(zhuǎn)換梁截面上的應(yīng)力通過(guò)有限元分析計(jì)算出，然后再將其換算成相應(yīng)的截面內(nèi)力，但是這種換算在實(shí)際操作起來(lái)比較困難。如果實(shí)際條件下很難對(duì)梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，可以用表格計(jì)算的方式代替，再進(jìn)行截面內(nèi)力的換算。

（3）深梁截面設(shè)計(jì)方法

轉(zhuǎn)換梁是一種介于深梁和普通梁之間的梁，在實(shí)際工程中其高跨比介于1/8～1/6之間，所以其破壞形態(tài)和受力特征與深梁有著很多相似之處，如果轉(zhuǎn)換梁的破壞形態(tài)和受力特征表現(xiàn)為深梁，則可以參考深梁的截面設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（4）應(yīng)力截面設(shè)計(jì)方法

對(duì)轉(zhuǎn)換梁進(jìn)行有限元分析計(jì)算可以得到其應(yīng)力大小和分布規(guī)律，為了能夠更好的利用計(jì)算結(jié)果對(duì)截面的配筋進(jìn)行計(jì)算，需要做出以下假定：①受壓區(qū)混凝土的強(qiáng)度達(dá)到了軸心抗壓強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值；②鋼筋達(dá)到了其屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；③在進(jìn)行換算時(shí)不考慮混凝土的抗拉作用，由鋼筋承擔(dān)所有的拉力。

3.2 轉(zhuǎn)換梁的設(shè)計(jì)與構(gòu)造要求

為了使轉(zhuǎn)換梁具有比較合適的含箍率以及避免出現(xiàn)脆性破壞，其截面尺寸最好通過(guò)剪壓比進(jìn)行計(jì)算后確定。轉(zhuǎn)換梁最好不要開(kāi)洞，如果設(shè)計(jì)需要開(kāi)洞，則洞口的位置最好設(shè)在軸和梁中部附近，為了提高轉(zhuǎn)換梁的抗剪性能，洞口的上、下弦桿要采取一定的加固措施，如果洞口內(nèi)力比較大，則可以采用型鋼構(gòu)件進(jìn)行加固處理。另外，箍筋要進(jìn)行加密，在上、下弦桿箍筋計(jì)算時(shí)最好將剪力的設(shè)計(jì)值乘上放大系數(shù)1.2。

用于轉(zhuǎn)換梁施工的混凝土強(qiáng)度等級(jí)最低要達(dá)到C30強(qiáng)度。轉(zhuǎn)換梁中縱向鋼筋最好不要留有接頭，如果有接頭也要用機(jī)械連接，而且在同一個(gè)截面中，鋼筋的接頭面積不能超過(guò)整個(gè)主筋截面面積的一半，接頭的位置的選取也要充分考慮，要避開(kāi)一些受力較大的部位、梁上拖柱部位以及上部剪力墻開(kāi)洞的部位。轉(zhuǎn)換梁下部的主筋要全部貫穿并且伸入到柱體內(nèi)部，上部的主筋則最好保證有一半是能夠沿梁貫穿的。在距離轉(zhuǎn)換梁支座邊距柱1.5倍梁高度或者0.2倍梁凈跨范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)換梁箍筋都要進(jìn)行加密，加密區(qū)的箍筋間距要小于100mm，直徑最小要達(dá)到10mm。

3.3 框支柱的設(shè)計(jì)與構(gòu)造要求

在進(jìn)行轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，框支柱的柱頂彎矩要乘上放大系數(shù)，放大系數(shù)值跟地震等級(jí)有關(guān)，并且在配筋時(shí)也要按照放大后的柱頂彎矩進(jìn)行設(shè)計(jì)。在地震組合時(shí)，一級(jí)地震作用下框支柱所承受的軸力設(shè)計(jì)值要乘以1.50的放大系數(shù)，二級(jí)地震時(shí)要乘以1.25。在對(duì)框支柱的剪力進(jìn)行調(diào)整時(shí)，其所承受的地震剪力標(biāo)準(zhǔn)要根據(jù)下列規(guī)定進(jìn)行合理采用：①框支層為1～2層且框支柱數(shù)目少于10根時(shí)，每層的每根柱所承受的剪力應(yīng)當(dāng)取基底剪力2%；②當(dāng)框支層不小于3層時(shí)，各層的每根支柱所承受的剪力應(yīng)當(dāng)取基底剪力的3%；③當(dāng)框支層為1～2層并且框支柱的數(shù)目不少于10根時(shí)，每層每根柱所承受的剪力之和應(yīng)當(dāng)取基底剪力的20%；④當(dāng)框支層多于3層時(shí)，每層框支柱承受的剪力之和應(yīng)取基底剪力的30%。當(dāng)框支柱剪力做出調(diào)整后，其柱端梁彎矩和剪力以及框支柱的彎矩也應(yīng)做出相應(yīng)的調(diào)整，框支柱軸力可以不調(diào)整。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文討論的只是高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的眾多方法中的一小部分，高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)還有很多仍需研究和探討的地方，例如斜柱轉(zhuǎn)換、箱型轉(zhuǎn)換和板式轉(zhuǎn)換等轉(zhuǎn)換層的主要結(jié)構(gòu)形式和受力特點(diǎn)等。隨著我國(guó)建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代高層建筑呈現(xiàn)出平面多樣化和復(fù)雜化的發(fā)展趨勢(shì)，所以在對(duì)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要結(jié)合實(shí)際的工程情況進(jìn)行綜合考慮，選取最合適的設(shè)計(jì)方法。

[1]唐興榮，何若全.高層建筑中轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].蘇州城建環(huán)保學(xué)院學(xué)報(bào)，2001（9）：45～49.

[2]包世華，張銅生.帶剛性轉(zhuǎn)換層的斜交結(jié)構(gòu)的彎扭耦連振動(dòng)計(jì)算[A].第四屆全國(guó)結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（下）[C].2009.

[3]汪凱，盛小微，呂志濤，舒贛平.高層建筑預(yù)應(yīng)力混凝土板式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].建筑結(jié)構(gòu)，2011（6）.

TU765

A

1673-0038（2015）24-0029-02

2015-5-7

蔡光正（1971-），男，助理工程師，大專(zhuān)，主要從事建筑施工方面的工作。

施金哲（1983-），男，助理工程師，大專(zhuān)，主要從事建筑施工與管理方面的工作。