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

鄧宇文

（江西省建筑設(shè)計(jì)研究總院 江西 南昌 330000）

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

鄧宇文

（江西省建筑設(shè)計(jì)研究總院 江西 南昌 330000）

在高層建筑結(jié)構(gòu)的底部，當(dāng)上部樓層部分豎向構(gòu)件不能貫通落地時(shí)，應(yīng)設(shè)置轉(zhuǎn)換層，在轉(zhuǎn)換層布置轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件，這類(lèi)結(jié)構(gòu)稱(chēng)為帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)越來(lái)越多，而其中帶梁式轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛。本文針對(duì)這種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)類(lèi)型，從其受力、變形特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，探討了一些設(shè)計(jì)概念和原則。

梁式轉(zhuǎn)換層；框支剪力墻；軟弱層；薄弱層；高位轉(zhuǎn)換

在高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)碰到這樣的情況。一棟住宅樓在標(biāo)準(zhǔn)層是規(guī)規(guī)矩矩的小開(kāi)間布局，在底部一層或若干層由于建筑功能的變化，如常常需要用作商場(chǎng)或公共活動(dòng)場(chǎng)所，抑或業(yè)主要求底層有一個(gè)通透的大空間。由于這些因素，底部若干層常常要求布置成大開(kāi)間。

這對(duì)于結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)來(lái)說(shuō)，往往會(huì)造成上部樓層的豎向構(gòu)件在底部幾層不能落地。故而在要布置成大空間的樓層的上一層設(shè)置轉(zhuǎn)換構(gòu)件，以將不能落地的豎向構(gòu)件通過(guò)轉(zhuǎn)換構(gòu)件將其豎向荷載傳遞到落地豎向構(gòu)件中。同時(shí)通過(guò)二者間的樓蓋傳遞未落地豎向構(gòu)件的水平荷載至落地豎向構(gòu)件中。由于傳力路徑被彎折，豎向抗側(cè)構(gòu)件不連續(xù)，增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能也有很大影響。

1　高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層常見(jiàn)類(lèi)型及特點(diǎn)

1.1高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層常見(jiàn)類(lèi)型

在高層建筑結(jié)構(gòu)中，常見(jiàn)的轉(zhuǎn)換類(lèi)型有梁式轉(zhuǎn)換、斜桿桁架轉(zhuǎn)換、箱形大梁轉(zhuǎn)換及厚板轉(zhuǎn)換等等。

1.2高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的特點(diǎn)

梁式轉(zhuǎn)換用得最廣，其設(shè)計(jì)與施工簡(jiǎn)單，受力明確，廣泛應(yīng)用于底層大空間剪力墻結(jié)構(gòu)。

斜桿桁架轉(zhuǎn)換可以給建筑提供一定的使用空間，但建筑上不易處理，且桁架節(jié)點(diǎn)受力復(fù)雜，地震作用下易發(fā)生破壞。另外桁架轉(zhuǎn)換層的層高也不宜過(guò)小，?？刂撇恍∮?m，因?yàn)槿翳旒芨叨忍r(shí)，腹桿成為短柱，地震中容易破壞。

箱形大梁作為轉(zhuǎn)換構(gòu)件，轉(zhuǎn)換層的側(cè)向剛度大，導(dǎo)致內(nèi)力也較大，成為抗震的薄弱環(huán)節(jié)。而且由于轉(zhuǎn)換層的存在，使整體結(jié)構(gòu)的剛度也更大，從而導(dǎo)致地震作用大。

厚板轉(zhuǎn)換也稱(chēng)為板式承臺(tái)轉(zhuǎn)換層，其優(yōu)點(diǎn)是下層柱網(wǎng)可以較為靈活布置，缺點(diǎn)是自重很大，材料耗用多。由此導(dǎo)致自重大，質(zhì)量集中，地震作用產(chǎn)生的水平力會(huì)在轉(zhuǎn)換層突然增加很多，受力過(guò)于復(fù)雜。采用這類(lèi)結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)有良好的構(gòu)造措施和施工措施保證。

2　帶梁式轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)的受力與變形特性

2.1梁式轉(zhuǎn)換的分類(lèi)

當(dāng)梁式轉(zhuǎn)換層轉(zhuǎn)換的上部豎向構(gòu)件是剪力墻時(shí)，可稱(chēng)這種轉(zhuǎn)換形式為框支轉(zhuǎn)換。當(dāng)被轉(zhuǎn)換的上部豎向構(gòu)件為框架柱時(shí)，可稱(chēng)之為框架轉(zhuǎn)換。

2.2框架轉(zhuǎn)換

框架轉(zhuǎn)換中，由于一根框架柱的抗側(cè)剛度不大，當(dāng)一根框架柱在底層被抽掉，由轉(zhuǎn)換梁托柱轉(zhuǎn)換。此時(shí)轉(zhuǎn)換層上、下的框架抗側(cè)剛度變化并不明顯，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能影響不大。且托柱轉(zhuǎn)換梁自身受力也不復(fù)雜，因而本文對(duì)于托柱轉(zhuǎn)換不作詳述，而對(duì)框支轉(zhuǎn)換進(jìn)行較為詳細(xì)的探討。

2.3框支剪力墻

上部剪力墻不能落地，通過(guò)轉(zhuǎn)換梁（框支梁）支撐在下部框支柱上，這樣的結(jié)構(gòu)即為框支剪力墻結(jié)構(gòu)。

在豎向荷載作用下，框支剪力墻的應(yīng)力分布特點(diǎn)為：豎向應(yīng)力在剪力墻上部均勻分布，在轉(zhuǎn)換層及其以上幾層豎向應(yīng)力流向路線向兩側(cè)框支柱匯集。因而在框支柱支撐上部剪力墻的局部豎向應(yīng)力很大，在轉(zhuǎn)換層柱間剪力墻的豎向應(yīng)力越往跨中越小。其豎向應(yīng)力流向路徑類(lèi)似于一個(gè)拱，從而產(chǎn)生兩側(cè)往外的水平推力，而這個(gè)推力又由轉(zhuǎn)換梁來(lái)承受，因而轉(zhuǎn)換部位的水平拉應(yīng)力很大。水平拉應(yīng)力的分布在轉(zhuǎn)換部位下邊緣最大，沿著框支剪力墻高度方向往上走，逐漸減小。需要注意的是，在框支剪力墻中，轉(zhuǎn)換梁（框支梁）就是全截面受拉，與一般的受彎梁受力形態(tài)并不一樣。

在水平荷載作用下，框支剪力墻結(jié)構(gòu)由于上部剪力墻抗側(cè)剛度很大，下部框支柱相對(duì)來(lái)說(shuō)抗側(cè)剛度很小，上、下剛度相差懸殊。因而底部框支層的層間變形將很大，地震中常常在框支柱的柱頂或柱底出現(xiàn)塑性鉸，易形成機(jī)構(gòu)，發(fā)生倒塌。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要力圖避免出現(xiàn)這種情況，框支剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量使之不出現(xiàn)軟弱層，減小轉(zhuǎn)換層上下剛度差異。

3　梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)（框支剪力墻結(jié)構(gòu)）的設(shè)計(jì)概念與原則

3.1設(shè)計(jì)中應(yīng)避免出現(xiàn)軟弱層

在框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系中，要盡量減小上下剛度差異，因而必須有一定數(shù)量的落地剪力墻，且要加大落地剪力墻下部的厚度。甚至在不影響下部使用的前提下另加剪力墻，同時(shí)應(yīng)從減小轉(zhuǎn)換構(gòu)件的截面高度著手盡量壓縮框支層高，以提高框支層的抗側(cè)剛度，使轉(zhuǎn)換層上、下抗側(cè)剛度接近，從而避免在框支層形成軟弱層。

3.2設(shè)計(jì)中應(yīng)避免出現(xiàn)薄弱層

為了避免在框支層形成薄弱層，應(yīng)提高框支柱和落地剪力墻的承載力和延性。

根據(jù)我國(guó)現(xiàn)有《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的“三水準(zhǔn)”的抗震設(shè)防目標(biāo)，第一水準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震下的彈性整體計(jì)算分析。在彈性階段，由于轉(zhuǎn)換層以下框支柱與落地剪力墻二者抗側(cè)剛度的差異，剪力將主要由落地剪力墻承擔(dān)。在轉(zhuǎn)換層以上剪力由所有剪力墻承擔(dān)，而在轉(zhuǎn)換層以下框支剪力墻的剪力大部分將轉(zhuǎn)移至落地剪力墻上，而框支柱本身承擔(dān)剪力很小?？蛑Ъ袅Τ惺艿膬A覆彎矩將轉(zhuǎn)化為兩端框支柱的軸向拉壓力。

對(duì)于“三水準(zhǔn)”的第三水準(zhǔn)，當(dāng)結(jié)構(gòu)遭遇罕遇地震，將進(jìn)入彈塑性狀態(tài)。在彈塑性階段，由于轉(zhuǎn)換層以下落地剪力墻抗側(cè)剛度遠(yuǎn)大于框支柱，所以一般落地剪力墻將先開(kāi)裂，出現(xiàn)塑性鉸，繼而剛度降低，出現(xiàn)塑性?xún)?nèi)力重分布，框支柱承擔(dān)的剪力將增加。因此，在設(shè)計(jì)中需要對(duì)框支柱的設(shè)計(jì)剪力和彎矩進(jìn)行放大。

另外，框支柱上端與剛度很大的轉(zhuǎn)換梁（框支梁）相連，下端與基礎(chǔ)相連。在水平作用下，若層間變形過(guò)大，框支柱在兩端將出現(xiàn)塑性鉸。因此對(duì)于底部一層或兩層框支剪力墻結(jié)構(gòu)的框支柱箍筋要全高加密。對(duì)于多層框支柱，應(yīng)在最上層和最底層的框支柱箍筋進(jìn)行全高加密。甚至為了提高框支柱的變形能力和延性，加強(qiáng)其抗震性能，可采用鋼管混凝土柱。

3.3關(guān)于高位轉(zhuǎn)換

關(guān)于轉(zhuǎn)換層的設(shè)置宜把握另外一個(gè)重要原則：宜低位轉(zhuǎn)換，盡量避免高位轉(zhuǎn)換。由于設(shè)置轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件不連續(xù)，在轉(zhuǎn)換層上、下豎向剛度有突變，易出現(xiàn)薄弱層，對(duì)抗震不利。而高位轉(zhuǎn)換將加劇這些不利影響，且當(dāng)轉(zhuǎn)換層位置升高至與高階振型的幅值位置重合時(shí)，高階振型影響將加大。因此在結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)中，就轉(zhuǎn)換層位置的設(shè)置應(yīng)堅(jiān)持宜低不宜高的原則。

3.4轉(zhuǎn)換層樓板的設(shè)計(jì)注意點(diǎn)

對(duì)于帶轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)，樓板的設(shè)計(jì)應(yīng)注意一些問(wèn)題。底部大開(kāi)間的框支剪力墻結(jié)構(gòu)，框支剪力墻的剪力要向落地剪力墻轉(zhuǎn)移。而這個(gè)剪力的轉(zhuǎn)移是通過(guò)連接二者的樓板來(lái)完成的，因此對(duì)于轉(zhuǎn)換層及其鄰近幾層的樓板設(shè)計(jì)就需格外注意。樓板傳遞剪力的受力狀態(tài)屬于平面應(yīng)力狀態(tài)，為了保證樓板傳遞剪力的能力，設(shè)計(jì)中要求轉(zhuǎn)換層的現(xiàn)澆混凝土樓板滿(mǎn)足一定的厚度，一般不小于180mm厚，并雙層雙向布置鋼筋。在轉(zhuǎn)換層及鄰近樓層的樓板不宜開(kāi)大洞，根據(jù)具體情況和傳遞剪力的多少還應(yīng)考慮是否將鄰近的樓層板進(jìn)行加強(qiáng)，必要時(shí)應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)換層樓板進(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力分析，校核樓板的剪應(yīng)力是否超過(guò)相應(yīng)限值。

4　結(jié)語(yǔ)

帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)在方案設(shè)計(jì)初期，應(yīng)該根據(jù)建筑本身特點(diǎn)選擇合理的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換方案。在熟悉轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的受力與變形特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，能預(yù)知結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)，從結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)上對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行加強(qiáng)，設(shè)計(jì)出抗震性能良好的合理的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。

[1]《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）[S].

[2]《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）[S]

[3]徐培福.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó).建筑工業(yè)出版社，2005.

[4]包世華，方鄂華.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1990.

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1673-0038（2015）42-0074-02

2015-10-1