帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建議

鄭瑤

摘要：轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代高層建筑中應(yīng)用較為廣泛，通過轉(zhuǎn)換層的運(yùn)用可以更好的體現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的多樣性，滿足大跨度的使用要求，使建筑空間得到合理的分配。因此，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時候要合理運(yùn)用轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)，使其更好的發(fā)揮作用，促進(jìn)建筑行業(yè)的發(fā)展。本文以某高層建筑工程為例，對梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行探討，為同類工程建設(shè)提供參考。

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

近些年，高層建筑的功能性越來越強(qiáng)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也趨于復(fù)雜化、多樣化，很多建筑都是上部作為民用住宅，下部主要是集購物、餐飲、娛樂及停車為一體的商用建筑。因建筑的使用功能不同，空間劃分不同，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)綜合考慮建筑的平面及功能方面的需求合理選擇轉(zhuǎn)換型式，正確確定建筑抗震類別，正確選擇各部分的抗震等級，注重結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性設(shè)計(jì)，對主要構(gòu)件進(jìn)行加強(qiáng)，使之符合建筑各方面的需求。

一、梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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，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

在對轉(zhuǎn)換層上下部分的豎向結(jié)構(gòu)進(jìn)行布置時，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，通過對結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的布置，使上部荷載通過轉(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，需適當(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。

二、轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要注意的問題

1.轉(zhuǎn)換層的豎向布置

對于轉(zhuǎn)換層的豎向布置，在設(shè)計(jì)過程中要堅(jiān)持以下幾方面的原則：1）根據(jù)建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的建筑功能和結(jié)構(gòu)傳力的路徑，在布置轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)時應(yīng)沿建筑高度方向進(jìn)行靈活布置；2）在設(shè)計(jì)過程中，可以把轉(zhuǎn)換層作為正常使用的樓層，也可以作為技術(shù)設(shè)備層；3）建筑轉(zhuǎn)換層在設(shè)計(jì)過程中，可以根據(jù)建筑的實(shí)際情況，在建筑的局部布置轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)；4）要保證轉(zhuǎn)換層有足夠的強(qiáng)度和剛度，而且還要使豎向的剛度不能過大。

2.抗震等級布置

在一般的建筑設(shè)計(jì)過程中，轉(zhuǎn)換層以上通常是純剪力墻結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層以下通常是框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，此時該建筑屬于集多種形式于一體的復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)，所以，不能籠統(tǒng)和簡單的確定抗震等級。在建筑施工的過程中，要嚴(yán)格按照相關(guān)的規(guī)定，針對性地分別確定建筑不同的結(jié)構(gòu)體系各個部件的抗震等級，并做出相應(yīng)的設(shè)計(jì)。框支剪力墻的墻底應(yīng)該為二級，非底部加強(qiáng)的部位應(yīng)該為三級，由于轉(zhuǎn)換層建筑一般設(shè)在建筑的4樓，屬于高位轉(zhuǎn)換的類型，根據(jù)相關(guān)的抗震等級布置規(guī)定，當(dāng)轉(zhuǎn)換層的位置設(shè)置在3層及3層以上時，應(yīng)該加強(qiáng)框支柱、剪力墻底部的抗震等級。

3.受力性能的問題

對于高層建筑物梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，建筑師在最初進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，一般很少考慮高層建筑的具體結(jié)構(gòu)特征，而是將重點(diǎn)放在了高層建筑物的空間結(jié)構(gòu)上，使得高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的受力性能存在一定問題。在進(jìn)行高層建筑物梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，應(yīng)該明確所選擇結(jié)構(gòu)體系中向下作用力和地基承載力之間的關(guān)系，對高層建筑主要承重部位的布局和數(shù)量進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。

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

1.工程概況

某綜合大樓地上28層，地下室2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。綜合整個功能布局，本工程在4層設(shè)置轉(zhuǎn)換層，采用梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，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)。

2.抗震等級的確定

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》本工程為丙類建筑，抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，框支框架及底部加強(qiáng)部位的剪力墻抗震等級為一級。根據(jù)規(guī)程當(dāng)轉(zhuǎn)換層設(shè)置在3層及3層以上時，其框支柱、剪力墻底部加強(qiáng)部位的抗震等級需提高一級采用。本工程轉(zhuǎn)換層設(shè)置在第四層，框支框架和底部加強(qiáng)部位的剪力墻抗震等按特一級采用。

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。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)算時不予考慮，僅作為結(jié)構(gòu)的安全儲備。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。

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。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)的過程中需要通過計(jì)算來確定轉(zhuǎn)換梁的抗扭承載力，此外還可以通過設(shè)置雙向轉(zhuǎn)換梁來平衡扭矩。

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)時對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，通常都會假定樓板剛度無限大，水平剪力按照豎向構(gòu)件的剛度進(jìn)行分配，而底部剪力墻的剛度遠(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，樓板也會發(fā)生變形以及剪力墻裂縫，都會造成底部剪力墻剛度的下降，進(jìn)而會增大框支柱的剪力，因而我國現(xiàn)行規(guī)范對底部框支柱的剪力增大也做出了單獨(dú)的規(guī)定。

5.轉(zhuǎn)換層樓板的設(shè)計(jì)

根據(jù)傳力途徑，水平剪力通過轉(zhuǎn)換層傳到下部結(jié)構(gòu)，此時轉(zhuǎn)換層樓板平面內(nèi)受力很大，樓板會發(fā)生很大的變形，因此對于轉(zhuǎn)換層樓板應(yīng)適當(dāng)加厚，利于轉(zhuǎn)換層在其平面內(nèi)進(jìn)行剪力重分配，同時增強(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)算時對樓層剛度無限大的基本假定。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)無法避免時應(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。

四、結(jié)束語

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，在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師應(yīng)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行反復(fù)的調(diào)整和對比，確保高層建筑結(jié)構(gòu)的安全性以及經(jīng)濟(jì)性。

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