高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計原理分析

楊詞光

（九江城市規(guī)劃市政設(shè)計院）

高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計原理分析

楊詞光

（九江城市規(guī)劃市政設(shè)計院）

隨著我國城市化建設(shè)的腳步加快，城市可用土地資源日益緊張。為緩解這一矛盾，促使我國城市建筑都向著高層建筑發(fā)展，而現(xiàn)代高層建筑的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出多功能、多種用途的綜合體。本文就主要針對高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計原則及要點進(jìn)行了闡述。供同行參考。

高層建筑：梁式轉(zhuǎn)換層：設(shè)計原則；類型選擇

引言

隨著城市高層建筑的快速發(fā)展，建筑物的功能不再是單一，如：大型酒店、商住樓、綜合辦公樓等高層建筑一般以地下室為停車，下底樓層為商業(yè)和娛樂區(qū)，中部的樓層多數(shù)是寫字樓，上部則為民用住宅。對不同用途樓層需要不同的空間的結(jié)構(gòu)采取不同的設(shè)計，空間上就存在著較大的差異，必須在有結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的樓層設(shè)置轉(zhuǎn)換構(gòu)件。底部樓層的受力較大，墻結(jié)構(gòu)要多柱網(wǎng)要密集，要求結(jié)構(gòu)設(shè)計上與常規(guī)的結(jié)構(gòu)方式布置相反，柱網(wǎng)或是墻體把上部和下部的功能區(qū)分開，通過上部樓層小開間，布置剛度較大的剪力墻結(jié)構(gòu)，采用純剪力墻轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。底部大空間，布置剛度較小的框架，采用框架式剪力墻。由此可見，利用轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足各自的使用與需求，高層建筑梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)具備傳力途徑簡潔、明確、直接的底部優(yōu)點，而且垂直轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)形式，以傳力直接、受力作用明確、施工方便的特點，廣泛在現(xiàn)代高層建筑使用。

1　高層建筑中的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計原則與類型

在現(xiàn)代高層建筑設(shè)計理論中，帶有梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)是極其關(guān)鍵的技術(shù)，也是現(xiàn)代城市標(biāo)志建筑的代表之一，符合現(xiàn)代城市具有的功能需求。因此，要滿足不斷豐富功能的基本需求，建筑工程的實際施工過程中，要采取更好的單元型轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，盡量保障轉(zhuǎn)換層自身安全、穩(wěn)固等功能。強化處理豎向結(jié)構(gòu)突變性等問題，避免在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換時，盡可能的減少豎向構(gòu)件，豎向構(gòu)件存在的越多，就會減少轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)，使剛度的突變越小，影響建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力。要注意轉(zhuǎn)換柱以及剪力墻應(yīng)對稱布置，設(shè)置轉(zhuǎn)換柱和剪力墻時候，盡量讓二者對稱，梁上面的立柱轉(zhuǎn)換成梁跨中，能夠切實有效的解決轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)存在的問題，才能滿足建筑工程內(nèi)部的空間布置需求，向著多元化的方向發(fā)展。促使現(xiàn)代建筑工程體系的應(yīng)用空間更加廣泛。高層建筑高層中轉(zhuǎn)換層的類型：①結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層：不同的結(jié)構(gòu)方式之間轉(zhuǎn)換，以底部框架結(jié)構(gòu)，上部砌體結(jié)構(gòu)，這是我國常見的結(jié)構(gòu)形式，底部建成較大的開間，作為商業(yè)的用房。結(jié)構(gòu)形式上部砌體墻用作住宅。上部的砌體墻所承受的內(nèi)力集中在轉(zhuǎn)至建筑物底郅的框架柱。②功能轉(zhuǎn)換層：高層建筑的中間設(shè)置一個設(shè)備層，樓層由于比較高，從地下室向上部樓層供電、供水等等，上部供電、供水存在距離比較遠(yuǎn)，可以在中間設(shè)置一個設(shè)備層，可以把供水的壓差，供電負(fù)荷中心的范圍等問題在中間樓層地帶電負(fù)荷的重分配，多功能的高層建筑物在中間地帶拿出一個整樓層做為功能轉(zhuǎn)換層，轉(zhuǎn)換層中通常就是設(shè)備層。作為設(shè)備層設(shè)計高度限定為2.2m左右，減少整個高層建筑的占用規(guī)劃指標(biāo)。

2　工程實例

某高層建筑為商住合一。建筑高度為48.7m，地上15層，一、二層為商業(yè)用房，3～15層為住宅，地下室層高4.5m，二層商業(yè)用房部分為：底層層高5.5m二層層高5.5m，住宅部分層高為2.9m。由于不同的用途需要不同的空間組合形式，因此除了主體中間部分（電梯間、樓梯間等公共部分）布置成落地剪力墻核心筒，其他部分均不能采用一種結(jié)構(gòu)體系。必須在二層頂采用結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的方法過渡為另一種結(jié)構(gòu)形式。

2.1結(jié)構(gòu)選型

結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的類型很多，對于此工程來說，如果采用厚板轉(zhuǎn)換存在以下問題：轉(zhuǎn)換厚板的混凝土及鋼材用量都很大，增加投資成本，并且施工難度大；受力情況復(fù)雜，計算過程繁瑣。如果選用箱形轉(zhuǎn)換，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)整體性好，不管上部結(jié)構(gòu)布置多么復(fù)雜，仍能保證上、下豎向構(gòu)件的有效傳力。但是從結(jié)構(gòu)設(shè)計角度考慮，內(nèi)力分析較為復(fù)雜，轉(zhuǎn)換層設(shè)計的技術(shù)儲備不足，難度相對較大，且施工難度也大。

梁式轉(zhuǎn)換層優(yōu)點主要表現(xiàn)為設(shè)計和施工簡單，轉(zhuǎn)換構(gòu)件受力明確，經(jīng)濟合理性強。內(nèi)部空間自由暢通，滿足管線布置要求，在轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)受力較小的部位可以開洞口，容易滿足建筑對功能的要求。

2.2梁式轉(zhuǎn)換層的受力特點

梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)層的核心構(gòu)件是轉(zhuǎn)換梁，主要影響轉(zhuǎn)換梁的受力特點因素有：材料使用、尺寸大小，上部的結(jié)構(gòu)類型等，同時，自身的剛度，包括剪力墻以及梁的剛度比。另外上層、下層結(jié)構(gòu)的類型的相對剛度大小。轉(zhuǎn)換梁受力來自上部結(jié)構(gòu)，較大影響轉(zhuǎn)換梁，具有一定的尺寸上部結(jié)構(gòu)的墻時，墻體結(jié)構(gòu)形式對轉(zhuǎn)換梁的內(nèi)力變化影響很小。本工程在設(shè)計轉(zhuǎn)換梁時，考慮轉(zhuǎn)換梁和上部墻體的整體的受力結(jié)構(gòu)，保持一致彎曲變形。拱的特有的作用影響到梁的內(nèi)力形式，拱結(jié)構(gòu)傳力形式豎向荷載作用分解為水平和豎直方向的作用力，中間受拉力，兩端部受到壓力的形式。在實際分析工作中，利用剪力墻分擔(dān)轉(zhuǎn)換梁產(chǎn)生的彎矩，墻整體結(jié)構(gòu)的受拉翼緣而內(nèi)部產(chǎn)生拉力，保持轉(zhuǎn)換梁的受力均衡。

2.3轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)布置

由于上部住宅空間劃分很多，所以在轉(zhuǎn)換層需要設(shè)置為二次轉(zhuǎn)換，即設(shè)置轉(zhuǎn)換主梁和次梁；同時設(shè)置了部分短肢剪力墻以滿足建筑功能要求，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)布置平面如圖1所示。

圖1　

2.4構(gòu)造措施

首先對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行概念設(shè)計，采用必要的結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施是保證抗震設(shè)防要求的重要手段。本工程采用了以下一些構(gòu)造措施：

（1）加強底部框支層的剛度和延性。根據(jù)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計原則，轉(zhuǎn)換層上下結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比值在抗震設(shè)計時不應(yīng)大于2。為了減小上下層剛度比，底部兩層核心筒及剪力墻厚度為300mm，3層以上為200mm；混凝土等級C40，3層以上C35～C25。由于核心筒位置較偏，北向剛度較大，因此在底部南邊位置適當(dāng)部位增設(shè)了短肢剪力墻，使剛心和質(zhì)心盡量重合，也提高了底部剛度，使其滿足剛度比限值。

（2）加強轉(zhuǎn)換層樓板的剛度及延性，確保水平荷載的可靠傳遞，樓板厚度取為180mm，雙層雙向配筋，每層每方向的配筋率為0.25％，加強了整體性。

（3）短肢剪力墻盡量布置在框支柱上，避免在框支柱間設(shè)置剪力墻，墻肢可以長一些，這樣大幅度降低了轉(zhuǎn)換大梁的彎矩，同時也降低梁高和配筋。選用形式上盡量采用L型、T型，避免使用一字型。

（4）為加強轉(zhuǎn)換層的整體協(xié)調(diào)能力，在轉(zhuǎn)換層樓面上周邊及內(nèi)部非門洞口的地方做一些矮墻，墻高伸至窗臺底面。作為一種安全儲備，在計算中未考慮該段墻。

2.5結(jié)構(gòu)計算

對于高層結(jié)構(gòu)的分析，合理選擇計算軟件非常重要，它直接影響結(jié)果的精度和可靠度。本工程選用以墻元模型模擬剪力墻的SATWE空間有限元軟件。根據(jù)經(jīng)驗初步選定轉(zhuǎn)換梁截面，用STWE進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體計算，得到轉(zhuǎn)換梁所受設(shè)計剪力后，按照亥值不大于0.15fcbh/0.85校核截面尺寸。對轉(zhuǎn)換梁不僅有強度要求，也有剛度要求。本工程轉(zhuǎn)換層的層高為4.45m，轉(zhuǎn)換梁的最大跨度為⒍5m，大梁截面尺寸為450mm×1400mm，1400mm× 1400mm，450mm×1100mm。梁寬度不小于上部墻體厚度（200mm），梁高度大于梁跨度的1/6，均滿足要求。根據(jù)軸壓比確定框支柱主要截面尺寸：700mm×900mm，900mm×900mm，850mm×850mm。

對于復(fù)雜高層建筑，需要考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)，計算中還要考慮模擬施工加載，計算發(fā)現(xiàn)梁一次加載在結(jié)構(gòu)的大部分位置配筋均多于分層加載配筋。采用SATWE整體分析求出結(jié)構(gòu)頂點位移、層間相對位移、落地剪力墻所分擔(dān)的地震剪力。由于設(shè)置次梁轉(zhuǎn)換，使結(jié)構(gòu)處于復(fù)雜的空間受力狀態(tài)，現(xiàn)有程序不能正確反映其受力，因此在整體分析的基礎(chǔ)上，取其內(nèi)力進(jìn)行人工配筋校核。根據(jù)上部結(jié)構(gòu)傳遞給轉(zhuǎn)換層的荷載，用FEQ對轉(zhuǎn)換層本身及其上下幾層進(jìn)行平面有限元分析，對于轉(zhuǎn)換梁、框支柱在整體計算的基礎(chǔ)上，采用平面有限元框支剪力墻計算軟件FEQ進(jìn)行局部有限元精確分析，并按應(yīng)力校核配筋。另外，對于一些結(jié)構(gòu)構(gòu)件采取以下構(gòu)造措施：

（1）框支梁的支座處及上部墻體開門洞附近剪力均較大，箍筋應(yīng)加密配置；當(dāng)洞口靠近梁端時，也可采用梁端加腋提高其抗剪承載力，并加密配箍。

（2）對于二次轉(zhuǎn)換梁，集中荷載引起應(yīng)力更加復(fù)雜，在相應(yīng)梁端處增設(shè)加腋，作為抗剪的安全儲備。如19軸線梁在C軸兩側(cè)各有一個二次轉(zhuǎn)換梁，采用巨型加腋。

（3）框支層上剪力墻洞口上部的連梁，設(shè)計上要保證強剪弱彎，在連梁內(nèi)充分配筋，配置交叉斜筋，保證梁內(nèi)塑性絞的出現(xiàn)。

3　結(jié)束語

由此可見，高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場和市場的需求，對結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計過程中，要充分考慮不同方面的綜合因素，全面詳細(xì)制定高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的方案。同時在設(shè)計中不斷研究比較梁轉(zhuǎn)換層的設(shè)計其他種類，為以后施工條件下做出更優(yōu)的技術(shù)方案，確保高層建筑的可靠性、安全性。做好細(xì)節(jié)的設(shè)計，預(yù)防容易出現(xiàn)的問題，避免出現(xiàn)安全的隱患，以達(dá)到更高的設(shè)計和施工目標(biāo)。

[1]劉旭東.高層建統(tǒng)梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)枸設(shè)計原理探討[J].低碳世界，2014，07，08：212～213.

[2]潘冬冬.高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計探討[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014（24）：243：244.

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TU973

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1673-0038（2015）17-0007-02

2015-4-13