簡(jiǎn)議高層建筑轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)

摘要：高層建筑在工程實(shí)踐中的應(yīng)用日漸廣泛.工程中經(jīng)常會(huì)遇高位轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。從建筑功能上看，高層建筑上部需要較多的墻體來(lái)分隔空間以滿足住宅戶型的需要，而下部則希望有較大的自由靈活空間，大柱網(wǎng)、少墻體，以滿足公共使用要求。本文就此重點(diǎn)探討了高層建筑中梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：高層；梁式轉(zhuǎn)換層；結(jié)構(gòu)

在高層建筑設(shè)計(jì)中，為滿足建筑使用功能需要，底部數(shù)層常設(shè)置為大空間，而上部標(biāo)準(zhǔn)層多為小開(kāi)間，致使上層的部分豎向承重結(jié)構(gòu)不能直接落地，需要設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換。常用的轉(zhuǎn)換形式為梁式。梁式轉(zhuǎn)換層具有傳力路徑清晰快捷，工作可靠，構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工方便等優(yōu)點(diǎn)，是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)型式。

一、轉(zhuǎn)換層概述

由于高層建筑下部結(jié)構(gòu)受力較大，上部結(jié)構(gòu)受力較小，這與常規(guī)的結(jié)構(gòu)豎向布置的原則正好是相反的。為了滿足建筑多功能的要求，就必須在結(jié)構(gòu)中設(shè)置轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件，以實(shí)現(xiàn)自上而下結(jié)構(gòu)形式，軸線布置的自然過(guò)渡。轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件所在的樓層就是轉(zhuǎn)換層。按轉(zhuǎn)換層所實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換可分為三類(lèi)：上、下層柱網(wǎng)、軸線改變：轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)形式?jīng)]有改變，但是通過(guò)轉(zhuǎn)換層使下層的柱距擴(kuò)大，形成大柱網(wǎng)。常用于外框簡(jiǎn)的下層，形成較大的入口；上、下層結(jié)構(gòu)類(lèi)型的轉(zhuǎn)換：這種轉(zhuǎn)換層廣泛應(yīng)用于上部為剪力墻結(jié)構(gòu)和框架剪力墻結(jié)構(gòu)，它將上部剪力墻轉(zhuǎn)化為下部的框架，以創(chuàng)造一個(gè)較大的內(nèi)部自由空間}換結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)軸線位置：即上部樓層剪力墻結(jié)構(gòu)通過(guò)轉(zhuǎn)換層軸線錯(cuò)開(kāi)，形成上、下結(jié)構(gòu)不對(duì)齊的布置。實(shí)際工程應(yīng)用中轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)形式有多種多樣，轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)形式主要有梁式、柑架式、空腹析架式、箱式和板式。從上部墻體形式上，可分為滿跨和不滿跨、開(kāi)洞和不開(kāi)洞、開(kāi)門(mén)洞和開(kāi)窗洞；從跨數(shù)上，可分為單跨、雙跨及多跨；從轉(zhuǎn)換梁功能上，可分為托墻和托柱：從轉(zhuǎn)換梁形式上，可分為加腋和不加腋：從轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)采用材料上，可分為鋼筋混凝土和鋼骨混凝土、鋼結(jié)構(gòu)等。

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

（一）轉(zhuǎn)換梁的截面設(shè)計(jì)方法

轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計(jì)方法的選擇與其受力性能和轉(zhuǎn)換層的形式相關(guān)。①托柱形式轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計(jì)。當(dāng)轉(zhuǎn)換梁承托上部普通框架時(shí)，在轉(zhuǎn)換梁常用截面尺寸范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)換梁的受力基本和普通梁相同，可按普通梁截面設(shè)計(jì)方法進(jìn)行配筋計(jì)算。當(dāng)轉(zhuǎn)換粱承托上部斜桿框架時(shí)，轉(zhuǎn)換梁將承受軸向拉力，此時(shí)應(yīng)按偏心受拉構(gòu)件進(jìn)行截面設(shè)計(jì)。②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(kāi)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。

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

轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)不僅豎向剛度易在轉(zhuǎn)換層附近發(fā)生突變，還應(yīng)關(guān)注的是豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)，使結(jié)構(gòu)的傳力（包括豎向及水平力）途徑在轉(zhuǎn)換層及其附近發(fā)生突變，在強(qiáng)震作用下，易產(chǎn)生薄弱部位。因此在抗震設(shè)計(jì)中，除了控制轉(zhuǎn)換層上下剛度比外，還應(yīng)采用措施，加強(qiáng)轉(zhuǎn)換層及附近層結(jié)構(gòu)構(gòu)件包括轉(zhuǎn)換柱、轉(zhuǎn)換梁、落地墻、轉(zhuǎn)換層上下各兩層樓板等構(gòu)件，以保證水平剪力的有效傳遞和結(jié)構(gòu)底層在強(qiáng)震下有足夠的延性。

（三）轉(zhuǎn)換層分析計(jì)算

整體計(jì)算完畢后對(duì)轉(zhuǎn)換層本身應(yīng)采用平面有限元計(jì)算軟件做局部應(yīng)力的補(bǔ)充計(jì)算。進(jìn)行局部分析時(shí)，應(yīng)考慮轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)上下樓層是否進(jìn)入局部計(jì)算模型，以及樓層樓蓋平面內(nèi)剛度影響，注意實(shí)際結(jié)構(gòu)的三維空間盒子效應(yīng)，采用符合實(shí)際情況的正確計(jì)算模型?？蛑Ъ袅Φ挠?jì)算較為復(fù)雜，上部剪力墻需與下面多根柱相連接，如果連接不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生很大的計(jì)算誤差?？臻g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)換梁相連結(jié)。

（四）轉(zhuǎn)換大梁的設(shè)計(jì)

梁式轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)構(gòu)造要求：①轉(zhuǎn)換層樓板要將上層結(jié)構(gòu)的水平剪力傳遞到下層抗剪結(jié)構(gòu)上去，本身承受很大的平面內(nèi)剪力，同時(shí)又承受部分豎向荷載。因此要求樓板要有足夠的強(qiáng)度和剛度。②轉(zhuǎn)換層大梁是承托上部剪力墻或柱傳下來(lái)豎向荷載的重要構(gòu)件.本身受力很大。它是整個(gè)結(jié)構(gòu)抗震安全的關(guān)鍵部位。因此，轉(zhuǎn)換大梁的設(shè)計(jì)在整個(gè)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。實(shí)際工程設(shè)計(jì)中對(duì)轉(zhuǎn)換大梁的設(shè)計(jì)方法一般是先使用三維空間分析程序，將轉(zhuǎn)換梁視為桿件進(jìn)入計(jì)算.而后在整體結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上。根據(jù)上部結(jié)構(gòu)傳遞給轉(zhuǎn)換層的荷載.對(duì)轉(zhuǎn)換層本身及其上下幾層進(jìn)行平面有限元分析，然后確定其配筋。

（五）框支梁的設(shè)計(jì)

框支梁截面尺寸一般由剪壓比控制，寬度要大于其上墻厚的2倍，且大于400mm；高度大于計(jì)算跨度的1/6。工程框支梁寬統(tǒng)一定為800mm。框支梁受力巨大且受力情況復(fù)雜，它不但是上下層荷載的傳輸樞紐，也是保證框支剪力墻抗震性能的關(guān)鍵部位，是一個(gè)復(fù)雜而重要的受力構(gòu)件，因而在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)留有較多的安全儲(chǔ)備，二級(jí)抗震等級(jí)的框支梁縱筋配筋率大于0.4%?？蛑Я涸跐M足計(jì)算要求下，配筋率大于0.8%?？蛑Я阂话銥槠氖芾瓨?gòu)件，梁中有軸力存在，因而應(yīng)配置足夠數(shù)量的腰筋。

（六）轉(zhuǎn)換層的抗震設(shè)計(jì)

帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)中，由于設(shè)置了轉(zhuǎn)換層沿建筑物高度方向剛度的均勻性受到很大的破壞，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)豎向承載力構(gòu)件不連續(xù)和墻、柱截面的突變，導(dǎo)致傳力路線曲折、變形集中和應(yīng)力集中，因此轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的抗震性能較差。為保證設(shè)計(jì)的安全性，規(guī)定部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的位置設(shè)置在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)宜按高規(guī)定提高一級(jí)采用，己經(jīng)為特一級(jí)時(shí)不再提高，提高其抗震構(gòu)造措施，而對(duì)于底部帶轉(zhuǎn)換層的框架，核心簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)和外圍為密柱框架的簡(jiǎn)中簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)不必提高。對(duì)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8度抗震設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)考慮豎向地震作用的影響。

（七）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(kāi)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。由于此時(shí)轉(zhuǎn)換梁跨中較大范圍內(nèi)的內(nèi)力比較大，故底部縱向鋼筋不宜截?cái)嗪蛷澠?，?yīng)全部伸入支座。當(dāng)轉(zhuǎn)換梁承托卜部墻體為小墻肢時(shí)，轉(zhuǎn)換梁基本上可按普通梁的截面設(shè)計(jì)方法進(jìn)行配筋計(jì)算，縱向鋼筋可按普通梁集中布置在轉(zhuǎn)換梁的底部。

（八）樓板

由于結(jié)構(gòu)上部的水平剪力要通過(guò)轉(zhuǎn)換層傳到下部結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層樓面在其平面內(nèi)受力很大，樓板變形顯著，因此要適當(dāng)加厚轉(zhuǎn)換層樓面，建議采用厚度不小于180mm的現(xiàn)澆板，這樣有利于轉(zhuǎn)換層在其平面內(nèi)進(jìn)行剪力重分配，并加強(qiáng)轉(zhuǎn)換大梁的側(cè)向剛度和抗扭能力，也可使實(shí)際情況更符合結(jié)構(gòu)整體計(jì)算中樓層剛度無(wú)限大的基本假定。而且混凝土強(qiáng)度>C30，并采用雙向雙排鋼筋網(wǎng)，每排鋼筋的配筋率≥0.25%，必要時(shí)。轉(zhuǎn)換層樓板不宜有大的開(kāi)洞，當(dāng)開(kāi)洞時(shí)應(yīng)在洞口四周設(shè)置次梁暗梁，樓板開(kāi)洞位置盡可能遠(yuǎn)離外側(cè)邊，與轉(zhuǎn)換層相近的樓板也應(yīng)加強(qiáng)。若必須在大空間部分設(shè)置樓、電梯間時(shí)，應(yīng)用鋼筋混凝土墻圍成簡(jiǎn)體。

三、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在帶有梁式轉(zhuǎn)換層的高層建筑設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)，更是不同形式結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)不斷研究和進(jìn)行方案比較，在可能的情況下做出較優(yōu)的技術(shù)方案才能實(shí)現(xiàn)安全、適用、經(jīng)濟(jì)等綜合目標(biāo)。

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