高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐探索

孫醫(yī)譙

（安徽省建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司　安徽合肥　230000）

高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐探索

孫醫(yī)譙

（安徽省建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司安徽合肥230000）

隨著我國(guó)城市化建設(shè)步伐的不斷加快，高層建筑成為了城市化發(fā)展的主要方向，因此，在高層建筑設(shè)計(jì)中，由于建筑功能的需要經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，而設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須采用合理的設(shè)計(jì)方法才能設(shè)計(jì)出最優(yōu)的高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，本文以某工程實(shí)例對(duì)高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐進(jìn)行詳細(xì)的探討。

高層建筑；梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)理論；工程運(yùn)用

1　高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論分析

1.1轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)分析

高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的傳力路徑是：墻—轉(zhuǎn)換梁—柱，且傳力明確、直接，工程計(jì)算、分析和設(shè)計(jì)都非常方便。

轉(zhuǎn)換大梁是高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層的主要受力構(gòu)件，其受力形式和受力大小和上部結(jié)構(gòu)的形式、轉(zhuǎn)換梁的位置、轉(zhuǎn)換梁上下層相對(duì)剛度等有直接的關(guān)系。因此，在水平荷載作用下，具有轉(zhuǎn)換層的高層結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出不同的受力性能，大量工程實(shí)踐表明，只要轉(zhuǎn)換梁上的墻體具有一定的長(zhǎng)度，無(wú)論墻體采用何種形式，則考慮墻體后轉(zhuǎn)換梁中的彎矩明顯小于不考慮上部墻體時(shí)的彎矩，相應(yīng)墻體下的轉(zhuǎn)換梁在一定范圍內(nèi)存在受拉區(qū)。轉(zhuǎn)換梁的最終受力狀態(tài)由墻體、轉(zhuǎn)換梁作為一個(gè)整體共同發(fā)生彎曲變形和拱效應(yīng)。

墻體、轉(zhuǎn)換梁整體發(fā)生彎曲變形，在這個(gè)整體中轉(zhuǎn)換梁屬于受拉翼緣，若對(duì)轉(zhuǎn)換梁進(jìn)行單獨(dú)分析，由于剪力墻的作用其所受彎矩大大降低，同時(shí)，轉(zhuǎn)換梁屬于受拉翼緣，應(yīng)力會(huì)使轉(zhuǎn)換梁中出現(xiàn)軸向拉力。由于存在豎向傳力拱的作用，使上部豎向荷載傳到轉(zhuǎn)換梁時(shí)，大部分荷載以斜向荷載的形式作用于轉(zhuǎn)換梁上[見圖1（b）]，將這斜向荷載等效成垂直荷載和水平荷載形式[見圖1（c）、（d）]，在垂直荷載作用下轉(zhuǎn)換梁的彎矩明顯小于比不考慮上部墻體作用時(shí)的彎矩[見圖1（a）]，在水平荷載作用下，在轉(zhuǎn)換梁跨中一定范圍內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)軸向拉力，而支座則會(huì)受到軸向壓力的作用。

圖1　轉(zhuǎn)換梁受力機(jī)理

1.2梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)遵循原則

帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)，是一種受力形式復(fù)雜、不利于抗震的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系，當(dāng)需要考慮抗震設(shè)計(jì)時(shí)，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要遵循以下原則：①傳力直接，避免出現(xiàn)多次轉(zhuǎn)換。在進(jìn)行轉(zhuǎn)換層上下層主體豎向結(jié)構(gòu)布置時(shí)，要盡量做到水平轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)具有明確直接的傳力路徑，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的布置，使上部荷載通過(guò)轉(zhuǎn)換托梁直接傳給豎向承重構(gòu)件，盡可能的避免水平多級(jí)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)傳力路徑的最短化。②加強(qiáng)下部結(jié)構(gòu)、弱化上部結(jié)構(gòu)。要保證轉(zhuǎn)換層底部結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度、剛度、延性和抗震能力，適當(dāng)增強(qiáng)轉(zhuǎn)換層下部主體結(jié)構(gòu)的剛度，降低轉(zhuǎn)換層上部主體結(jié)構(gòu)的剛度，盡量保證轉(zhuǎn)換層上下部主體結(jié)構(gòu)的剛度和變形接近，避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)薄弱層。③計(jì)算準(zhǔn)確。在進(jìn)行計(jì)算時(shí)應(yīng)將轉(zhuǎn)換層作為整體結(jié)構(gòu)中的組成部分，根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力變形狀態(tài)建立準(zhǔn)確的計(jì)算模型，利用PKPM或其他結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行三維空間整體結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。對(duì)轉(zhuǎn)換層應(yīng)采用有限元軟件進(jìn)行局部補(bǔ)充計(jì)算，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)局部計(jì)算模型應(yīng)包括轉(zhuǎn)換層、轉(zhuǎn)換層以上至少2層結(jié)構(gòu)和所記入樓層的平面內(nèi)剛度，并考慮結(jié)構(gòu)的三維空間盒子效應(yīng)，采用實(shí)際的邊界條件進(jìn)行計(jì)算分析。

2　高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例分析

2.1工程概況

某綜合大樓，2層地下室，地上28層，建筑高度99.7m。其中裙房1～4層為商業(yè)樓層，5～28層為住宅樓。本工程上下部建筑功能不同，上部住宅部分采用小開間的剪力墻，商業(yè)樓層，主樓向外延伸若干榀裙房框架，建筑功能需要大開間的結(jié)構(gòu)布置，部分剪力墻不能落地。綜合整個(gè)功能布局，本工程在4層設(shè)置轉(zhuǎn)換層，采用梁式轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換方式，轉(zhuǎn)換層兼做設(shè)備層，整體結(jié)構(gòu)為部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2　轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)平面圖

2.2抗震等級(jí)的確定

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010），本工程為丙類建筑，抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，根據(jù)規(guī)范3.9.3條，本工程框支框架及底部加強(qiáng)部位的剪力墻抗震等級(jí)為一級(jí)。又根據(jù)10.2.6條，當(dāng)轉(zhuǎn)換層設(shè)置在3層及3層以上時(shí)，其框支柱、剪力墻底部加強(qiáng)部位的抗震等級(jí)需提高一級(jí)采用。由于本工程轉(zhuǎn)換層設(shè)置在第四層，屬于“高位轉(zhuǎn)換”，綜合以上規(guī)定，本工程框支框架和底部加強(qiáng)部位的剪力墻抗震等按特一級(jí)采用，其他構(gòu)件的抗震等級(jí)如表1所示。

表1　抗震等級(jí)的設(shè)計(jì)

2.3轉(zhuǎn)換梁設(shè)計(jì)

高層梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其轉(zhuǎn)換梁的承載力通常都是斜截面受剪承載力起控制作用。①斜截面受剪承載力主要由混凝土和箍筋承擔(dān)，雖然梁水平腰筋也能分擔(dān)一部分剪力，但通常在計(jì)算時(shí)不予考慮，僅作為結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備。因此適當(dāng)提高轉(zhuǎn)換梁的水平腰筋不但可以減少裂縫的產(chǎn)生，而且還能增強(qiáng)轉(zhuǎn)換梁的受剪承載力。②轉(zhuǎn)換梁的正截面受彎承載力計(jì)算按照普通梁進(jìn)行計(jì)算。③由于轉(zhuǎn)換梁的尺寸比較大，使得其上部結(jié)構(gòu)荷載在轉(zhuǎn)換梁上產(chǎn)生了一定的偏心距，進(jìn)而產(chǎn)生扭矩，然而轉(zhuǎn)換梁自身的抗扭承載力比較低，因此在進(jìn)行轉(zhuǎn)換梁設(shè)計(jì)的過(guò)程中需要通過(guò)計(jì)算來(lái)確定轉(zhuǎn)換梁的抗扭承載力，此外還可以通過(guò)設(shè)置雙向轉(zhuǎn)換梁來(lái)平衡扭矩。

當(dāng)轉(zhuǎn)換梁承托上部墻體滿跨且不開洞時(shí)，轉(zhuǎn)換梁協(xié)同上部墻體共同工作，其受力特征和破壞形態(tài)類似深梁，此時(shí)轉(zhuǎn)換梁的截面設(shè)計(jì)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，且縱向鋼筋應(yīng)沿全梁高均勻進(jìn)行布置。由于轉(zhuǎn)換梁跨中很大范圍內(nèi)的內(nèi)力比較大，因此對(duì)于梁底部縱向受力鋼筋宜全梁貫通，并全部伸入支座，滿足錨桿要求。當(dāng)轉(zhuǎn)換梁承托上部墻體為小墻肢時(shí)，此時(shí)轉(zhuǎn)換梁可以按照普通梁進(jìn)行截面設(shè)計(jì)和配筋計(jì)算，縱向受力鋼筋可集中布置在轉(zhuǎn)換梁的底部。

2.4框支柱的設(shè)計(jì)

在本工程中框支柱是非常重要的構(gòu)件，為確?？蛑е陌踩?，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)柱端的剪力和柱端彎矩乘以相應(yīng)的放大系數(shù)，每層框支柱承受剪力之和取底部總剪力的30%。當(dāng)采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，通常都會(huì)假定樓板剛度無(wú)限大，水平剪力按照豎向構(gòu)件的剛度進(jìn)行分配。而底部剪力的墻剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于框支柱的剛度，使得框支柱分配的剪力非常小。然而在實(shí)際工程中，樓板也會(huì)發(fā)生變形以及剪力墻裂縫，都會(huì)造成底部剪力墻剛度的下降，進(jìn)而會(huì)增大框支柱的剪力。因而我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范對(duì)底部框支柱的剪力增大也做出了單獨(dú)的規(guī)定。此外，為了加強(qiáng)轉(zhuǎn)換層與上下層的連接，框支柱內(nèi)的縱筋應(yīng)伸入上部墻體內(nèi)一層；其余在墻體范圍外的縱筋則應(yīng)錨入轉(zhuǎn)換層梁板內(nèi)，并滿足錨固要求。本工程對(duì)框支柱按照1.3%的配筋率進(jìn)行配置縱向鋼筋，按照1.64%的配箍率進(jìn)行箍筋的配置。

2.5轉(zhuǎn)換層樓板的設(shè)計(jì)

根據(jù)傳力途徑，水平剪力通過(guò)轉(zhuǎn)換層傳到下部結(jié)構(gòu)，此時(shí)轉(zhuǎn)換層樓板平面內(nèi)受力很大，樓板會(huì)發(fā)生很大的變形，因此對(duì)于轉(zhuǎn)換層樓板應(yīng)適當(dāng)加厚，本工程轉(zhuǎn)換層樓板厚度為200mm的現(xiàn)澆板，厚板有利于轉(zhuǎn)換層在其平面內(nèi)進(jìn)行剪力重分配，同時(shí)增強(qiáng)了轉(zhuǎn)換梁的側(cè)向剛度和抗扭剛度，在一定程度上也滿足了在進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時(shí)對(duì)樓層剛度無(wú)限大的基本假定。本工程轉(zhuǎn)換板的混凝土強(qiáng)度采用C40，并采用雙層雙向鋼筋，每排鋼筋的配筋率為0.28%，此外轉(zhuǎn)換層樓板應(yīng)盡量避免大開洞，當(dāng)無(wú)法避免時(shí)應(yīng)在洞口四周設(shè)置暗梁，且樓板的開洞位置盡量遠(yuǎn)離外側(cè)邊，并適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)轉(zhuǎn)換層相近的樓板。

3　結(jié)束語(yǔ)

高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，需要根據(jù)建筑功能的功能要求以及平面布置，選擇合理整體結(jié)構(gòu)形式和轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)形式。對(duì)于抗震設(shè)防區(qū)還應(yīng)準(zhǔn)確的確定不同部位的抗震等級(jí)。在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行反復(fù)的調(diào)整和對(duì)比，確保高層建筑結(jié)構(gòu)的安全性以及經(jīng)濟(jì)性。

[1]蔣滔滔.建筑工程梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐研究[J].房地產(chǎn)導(dǎo)刊，2015（15）.

[2]陳勇強(qiáng).探索梁式轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].房地產(chǎn)導(dǎo)刊，2015（8）.

[3]馬臣武，胡傳兵.探討高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在實(shí)際工程中的運(yùn)用[J].城市建設(shè)理論研究，2015（2）.

[4]任常青.淺析現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].城市建設(shè)理論研究，2014（2）.

TU973

A

1673-0038（2015）38-0059-02

2015-8-29

孫醫(yī)譙（1980-），男，工程師，本科，主要從事建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及技術(shù)管理工作。