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

王陸軍

【摘要】我國自實(shí)行改革開放政策以來，社會經(jīng)濟(jì)有了飛速的發(fā)展進(jìn)步，人們對于高層建筑的要求也越來越高。一般情況下，高層建筑下部應(yīng)有足夠的靈活空間，少墻體，但上部則應(yīng)有較多墻體來滿足人們的居住需求。本文對高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)展開了深入的分析。

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

進(jìn)行高層建筑的設(shè)計(jì)工作時(shí)，一般要在其底部設(shè)置成大空間，其上部標(biāo)準(zhǔn)層通常都是小開間，這便會使其上部的承重結(jié)構(gòu)無法直接落地，必須開展結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換工作。使用的轉(zhuǎn)換構(gòu)件一般有：梁、桁架、空腹桁架、箱型結(jié)構(gòu)、斜撐、厚板等。結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層常見的有梁式轉(zhuǎn)換和板式轉(zhuǎn)換兩種類型。梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，受力比較直接明確，是目前得到廣泛應(yīng)用的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形式。而板式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的受力以及傳力方式都很復(fù)雜，很難確定，所以只有在其上下部結(jié)構(gòu)不夠協(xié)調(diào)，不能使用梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)時(shí)才用。

一、建筑的轉(zhuǎn)換層

建筑的轉(zhuǎn)換層按照功能結(jié)構(gòu)差異可分成下述三種：

首先，上層與下層結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換。一般在剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛，要將上面的剪力墻變成下部框架，這樣能形成一個(gè)很大的內(nèi)部自由空間。

其次，上、下層的柱網(wǎng)、軸線改變。轉(zhuǎn)換層上、下的結(jié)構(gòu)形式?jīng)]有改變，但是通過轉(zhuǎn)換層使下層柱的柱距擴(kuò)大，形成大柱網(wǎng)，并常用于外框筒的下層，形成較大的入口。

最后，結(jié)構(gòu)形式及軸線都發(fā)生改變。也就是將上部樓層的剪力墻結(jié)構(gòu)變成框架結(jié)構(gòu)并且使柱網(wǎng)軸線和上部樓層軸線錯(cuò)開，這樣便能夠使上下結(jié)構(gòu)不對齊。

二、設(shè)計(jì)高層建筑的梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)

2.1 科學(xué)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換梁的截面

在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換梁的結(jié)構(gòu)時(shí)一定要將其受力性能及轉(zhuǎn)換層形式作為重要依據(jù)。第一，設(shè)計(jì)好托柱轉(zhuǎn)換梁截面。若轉(zhuǎn)換梁上部承載的是普通框架，則在轉(zhuǎn)換梁的常用尺寸區(qū)域內(nèi)，轉(zhuǎn)換梁的受力與普通梁幾乎是一致的，一般會按普通梁的截面設(shè)計(jì)方法來計(jì)算配筋。如果轉(zhuǎn)換梁需要承托上面的斜桿框架，則轉(zhuǎn)換梁還要承受軸向拉力，所以要依據(jù)偏心受拉構(gòu)件來開展截面設(shè)計(jì)工作。第二，托墻形式轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計(jì)。當(dāng)轉(zhuǎn)換梁承托上部墻體滿跨不開洞時(shí)，轉(zhuǎn)換梁與上部墻體共同工作，其受力特征與破壞形態(tài)表現(xiàn)為深梁，此時(shí)轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計(jì)方法宜采用深梁截面設(shè)計(jì)方法或應(yīng)力截面設(shè)計(jì)方法，且計(jì)算出的縱向鋼筋應(yīng)沿全梁高適當(dāng)分布配置。

（一）轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的構(gòu)件設(shè)計(jì)

除了轉(zhuǎn)換層的剛度常常會在轉(zhuǎn)換層周圍出現(xiàn)突變，其豎向抗側(cè)力構(gòu)件的連續(xù)性也經(jīng)常得不到保障，這常常會使結(jié)構(gòu)的傳力（豎向傳力以及水平傳力）途徑在轉(zhuǎn)換層及其周圍產(chǎn)生突變，萬一再受到強(qiáng)震的影響，則這一區(qū)域會變得十分的薄弱。所以，進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)工作時(shí)，不僅要將轉(zhuǎn)換層的上下剛度控制在合理的范圍內(nèi)，還必須使用科學(xué)的方法，對轉(zhuǎn)換層和其周圍的結(jié)構(gòu)構(gòu)件（主要有轉(zhuǎn)換柱、轉(zhuǎn)換梁、落地墻、轉(zhuǎn)換層上下的兩層樓板）進(jìn)行加強(qiáng)，這樣才能確保水平剪力傳遞的有效性，并使結(jié)構(gòu)底層在較大的地震中也有很大的延性。

（二）分析計(jì)算轉(zhuǎn)換層

結(jié)束整體的計(jì)算工作后，就要使用平面有限元計(jì)算軟件來對局部應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。在局部分析計(jì)算的過程中，必須要考慮轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的上下樓層與局部計(jì)算模型是否相符，還要考慮其對樓層樓蓋平面內(nèi)剛度的影響，并且要觀察轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的三維空間盒子效應(yīng)，結(jié)合實(shí)際狀況準(zhǔn)確的計(jì)算出模型。礦支剪力墻的計(jì)算難度很高，要使用很多根柱將上部與下部連接起來，若連接不夠科學(xué)則會出現(xiàn)極大的計(jì)算誤差。空間分析程序是以梁柱為基本單元，而分析底部框支剪力墻時(shí)，剪力墻作為柱單元考慮。計(jì)算時(shí)宜在上部剪力墻肢與下部轉(zhuǎn)換柱之間均設(shè)轉(zhuǎn)換梁，墻肢與轉(zhuǎn)換梁相連接。

（三）設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換大梁

梁式轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)構(gòu)造的相關(guān)規(guī)定：第一，要使用轉(zhuǎn)換層樓板把上層結(jié)構(gòu)的水平剪力傳遞到下層抗剪結(jié)構(gòu)，它既要承受平面內(nèi)剪力又需承受豎向荷載，所以必須保證樓板由較高的強(qiáng)度和剛度。第二，轉(zhuǎn)換層大量主要是承受上部剪力墻或柱傳遞下來的荷載，其受力很大，對于結(jié)構(gòu)的抗震性能有著很大的影響。所以，必須科學(xué)、認(rèn)真的進(jìn)行轉(zhuǎn)換大梁設(shè)計(jì)工作。

（四）設(shè)計(jì)框支梁

剪壓比通常是由截面尺寸控制的，其寬度要超過上墻厚的2倍，并且不小于400mm，轉(zhuǎn)換梁的高度也應(yīng)超出跨度的1/8，工程轉(zhuǎn)換梁的寬度一般都為80cm。轉(zhuǎn)換梁要承受很大的力，除了要傳遞上下層之間的荷載，還對框支剪力墻的抗震性能有著很大的影響，所以在設(shè)計(jì)時(shí)必須有很多的安全儲備。二級抗震等級的轉(zhuǎn)換梁縱筋配筋率大于0.4%。轉(zhuǎn)換梁在滿足計(jì)算要求下，配筋率大于0.8%。轉(zhuǎn)換梁一般為偏心受拉構(gòu)件，梁中有軸力存在，因而應(yīng)配置足夠數(shù)量的腰筋。。

（五）對轉(zhuǎn)換層進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)

高層建筑結(jié)構(gòu)中由于設(shè)置了轉(zhuǎn)換層，就會使建筑物高度方向剛度的均勻性降低，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)豎向承載力構(gòu)件的不連續(xù)、墻或者柱截面的改變也會使傳力路線發(fā)生改變，所以轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的抗震性能也會影響。要想提高設(shè)計(jì)的安全性，就要求部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的位置在3層或3層以上，其框支柱、剪力墻底部加強(qiáng)部位的抗震等級宜按《高規(guī)》的規(guī)定提高一級采用，己經(jīng)為特一級時(shí)不再提高”，提高相關(guān)構(gòu)件的抗震構(gòu)造措施，而對于底部帶轉(zhuǎn)換層的框架，核心筒結(jié)構(gòu)和外圍為密柱框架的筒中筒結(jié)構(gòu)的抗震等級不必提高。對轉(zhuǎn)換層的轉(zhuǎn)換構(gòu)件水平地震作用的計(jì)算內(nèi)力需調(diào)整增大。

（六）托墻形式轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計(jì)

若轉(zhuǎn)換梁承托上部墻體跨不開洞，則轉(zhuǎn)換梁和上部墻體應(yīng)同步工作，它的受力特征和破壞形態(tài)也體現(xiàn)為深梁，這時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計(jì)工作時(shí)，就要使用深梁截面設(shè)計(jì)法或者是應(yīng)力截面設(shè)計(jì)法，并且要計(jì)算出的縱向鋼筋也應(yīng)合理的分布。這時(shí)轉(zhuǎn)換梁跨中的很大區(qū)域內(nèi)都有很大的內(nèi)力，所以底部的縱向鋼筋不能截?cái)嗷蛘邚澠?，要徹底伸進(jìn)支座。若轉(zhuǎn)換梁所承托的墻體是小墻肢，則要按照普通梁的截面設(shè)計(jì)方式來計(jì)算配筋。

（七）樓板

上層結(jié)構(gòu)的水平剪力必須借助轉(zhuǎn)換層才能傳遞到下部結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層樓面在其平面內(nèi)的受力非常大，會使樓板產(chǎn)生明顯的變形，所以必須對轉(zhuǎn)換層樓面進(jìn)行加厚處理，一般要使用厚度超過180mm的現(xiàn)澆板，以便于轉(zhuǎn)換層在其平面內(nèi)完成剪力重分配，并且轉(zhuǎn)換大梁的側(cè)向剛度及抗扭能力也會有很大的提高，還能夠使實(shí)際狀況與整體計(jì)算中樓層剛度無限大的基本假定相符。要保證混凝土的強(qiáng)度大于等于C30，還要使用雙向雙排鋼筋網(wǎng)，各排鋼筋的配筋率也應(yīng)超出0.25%。轉(zhuǎn)換樓板上一般不設(shè)置太大的開洞，一般會在洞口四周設(shè)計(jì)次梁或者暗梁，樓板開洞區(qū)域應(yīng)遠(yuǎn)離外側(cè)邊。需要在大空間區(qū)域設(shè)置電梯、樓梯間時(shí)，必須使用鋼筋混凝土作為筒體。

三、結(jié)語

總之，在高層建筑工程的施工中，必須結(jié)合建筑平面及其功能來確定轉(zhuǎn)換層的形式，還要科學(xué)的確定建筑的抗震級別，這時(shí)轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)的重點(diǎn)工作。要根據(jù)結(jié)構(gòu)布置來確定各個(gè)部分的抗震等級，使用抗震延性較好的構(gòu)件并對主要構(gòu)件開展加強(qiáng)工作。若高層建筑內(nèi)部帶有梁式轉(zhuǎn)換層，則轉(zhuǎn)換層就是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重中之重，設(shè)計(jì)期間還應(yīng)將各個(gè)方案進(jìn)行對比，以選出最科學(xué)、可行的工作方案。

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