有梁式轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

姚建勇（廣州市民用建筑科研設(shè)計(jì)院）

有梁式轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

姚建勇（廣州市民用建筑科研設(shè)計(jì)院）

隨著我國(guó)建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，我國(guó)的大型建筑與高層建筑也越來(lái)越多，而作為建筑施工中一項(xiàng)非常重要的內(nèi)容-建筑梁式轉(zhuǎn)換層，直接關(guān)系著建筑的穩(wěn)定性，企業(yè)利用建筑梁式轉(zhuǎn)換層，能夠使高層建筑工程中的空間結(jié)構(gòu)更加合理，而且利用這種建筑結(jié)構(gòu)有利于均衡受力，這使得高層建筑更加穩(wěn)固更加安全。所以，在進(jìn)行建筑施工時(shí)，我們應(yīng)該對(duì)建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析與應(yīng)用。

建筑；梁式轉(zhuǎn)換層；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快以及城市人口的不斷增加，使得我國(guó)城市用地面積日益萎縮。在這一背景下，我國(guó)的建筑行業(yè)逐漸加強(qiáng)了對(duì)高層建筑的構(gòu)建，繼而由此滿足城市居民的居住需求。事實(shí)上，在建設(shè)高層建筑的過(guò)程中，為了推動(dòng)建筑工程不同功能區(qū)的實(shí)現(xiàn)，需要施工隊(duì)伍加強(qiáng)對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的使用。而梁式轉(zhuǎn)換層憑借其施工簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，獲得建筑行業(yè)的青睞，并在建筑過(guò)程中獲得了廣泛應(yīng)用。

1 梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)可行性分析

1.1 概述

為了能夠達(dá)到人民對(duì)建筑質(zhì)量的要求，在高層建筑的施工過(guò)程中我們常常使用梁式轉(zhuǎn)換層。轉(zhuǎn)換層的種類很多，合理利用各種轉(zhuǎn)換成的基礎(chǔ)是我們能夠?qū)λ脑磉M(jìn)行分析和了解。所以首先我們應(yīng)該對(duì)梁式轉(zhuǎn)換成的設(shè)計(jì)原理進(jìn)行分析。梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的傳力途徑為墻、梁、柱的形式，受力直接方便計(jì)算。

1.2 可行性分析

梁式轉(zhuǎn)換層由兩部分組成：①框支柱；②框支梁?？蛑е鶝Q定框支層的類型，以及層數(shù)，可以說(shuō)框支柱在轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)中占有比較重要的地位，我們?cè)谶M(jìn)行轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)之前，需要對(duì)框支柱進(jìn)行一定的設(shè)計(jì)和選取，因?yàn)椴煌目蛑е某惺芰Γ袅Χ疾幌嗤?，建筑單位需要根?jù)自己計(jì)算出的梁式轉(zhuǎn)換層的各項(xiàng)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)選取合適的框支柱。例如當(dāng)高層建筑所使用的框支柱在十根以上，那么框支層的數(shù)量也就是一層或者兩層。再者就是框支梁，框支梁截面的設(shè)計(jì)關(guān)系到梁體整體的穩(wěn)定性，所以施工單位應(yīng)該重視它的設(shè)計(jì)。而設(shè)計(jì)框支梁需要顧及到多種因素，比如說(shuō)框支梁的設(shè)計(jì)參數(shù)高度需要考慮它的跨度，而它的寬度通常由高層建筑墻體的厚度決定。因?yàn)樵诟邔咏ㄖ校蛑Я撼惺芏喾搅?，我們無(wú)法準(zhǔn)確判斷受力的來(lái)源，所以說(shuō)建筑單位在進(jìn)行轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)時(shí)必須嚴(yán)格規(guī)劃框支梁，使其達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。所以在進(jìn)行梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，我們需要注意各種方面，并協(xié)調(diào)各個(gè)結(jié)構(gòu)，使他們能夠配合起來(lái)，共同為高層建筑的穩(wěn)定發(fā)揮作用。

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

2.1 降低豎向構(gòu)件的使用

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)時(shí)，豎向構(gòu)件的使用并不少見。過(guò)多豎向構(gòu)件的使用會(huì)使轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及強(qiáng)度漸漸變小，容易導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性降低，不利于提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，所以應(yīng)合理分布豎向構(gòu)件。

2.2 對(duì)稱設(shè)置轉(zhuǎn)換柱和剪力墻

在設(shè)計(jì)時(shí)，要將轉(zhuǎn)換柱和剪力墻進(jìn)行對(duì)稱放置的方式。立柱的轉(zhuǎn)換會(huì)使整體結(jié)構(gòu)受到影響。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)稱的結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)固、不易變形，所以，對(duì)稱放置轉(zhuǎn)換柱和剪力墻是最好的選擇，可極大增強(qiáng)建筑的穩(wěn)定性，從而達(dá)到防震的目的。

2.3 增強(qiáng)轉(zhuǎn)換層下部主體的結(jié)構(gòu)剛度

在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)考慮采用增強(qiáng)下部主體結(jié)構(gòu)、弱化轉(zhuǎn)換層上部剛度，使轉(zhuǎn)換層上下部之間結(jié)構(gòu)變形與抵抗彈性形變的能力之間達(dá)到協(xié)調(diào)統(tǒng)一、相互一致的方法來(lái)保證建筑物整體結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性和較強(qiáng)的剛度。增強(qiáng)下部主體結(jié)構(gòu)抵抗彈性形變的能力的主要方法存加大轉(zhuǎn)換層下部主體結(jié)構(gòu)的截面面積、增加剪力墻數(shù)量、增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度等方法。

2.4 確保轉(zhuǎn)換層足夠的剛度

在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意調(diào)整高度和跨度的比例。合理的比例才會(huì)來(lái)確保轉(zhuǎn)換層具有足夠的剛度，這樣才可以有效地確保內(nèi)力在轉(zhuǎn)換層和下部構(gòu)建的合理分配，轉(zhuǎn)換梁和剪力墻柱的受力性能相對(duì)較好，才能夠?qū)Y(jié)構(gòu)發(fā)揮重要的作用。

2.5 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)位置不能過(guò)高

過(guò)高的轉(zhuǎn)換層會(huì)對(duì)建筑的抗震能力大大的削弱，轉(zhuǎn)換層過(guò)高會(huì)使轉(zhuǎn)換層周圍的框支剪力墻的內(nèi)力和強(qiáng)度大打折扣。所以在設(shè)計(jì)高位轉(zhuǎn)換的時(shí)候，為減少層間內(nèi)力突變和位移角，要仔細(xì)分析軸向變形剛度、彎曲剛度、剪切剛度等來(lái)控制轉(zhuǎn)換層下部構(gòu)件的剛度。除此之外，落地剪力墻之間的間距也應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的控制，且不可小覷。

2.6 全面計(jì)算轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)

建筑整體結(jié)構(gòu)中的重要組成部分一一轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，在對(duì)其受力變形狀態(tài)模型進(jìn)行具體計(jì)算時(shí)，要精確分析建筑的三維空間結(jié)構(gòu)，如應(yīng)用有限元來(lái)補(bǔ)充和計(jì)算局部的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，還要考慮調(diào)整模型的外部條件使其符合具體的適用情況，以及轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)上部的局部模型計(jì)算。

3 案例分析

3.1 工程概況

某市新建廣場(chǎng)其中一個(gè)地塊包括地下兩層車庫(kù)，地上4棟單體建筑，分別含有裙房和塔樓，裙房和塔樓建設(shè)在地下室大底盤上。該地塊有效用地面積17958.422m，建筑面積為87157.842m，地上建筑面積為64082.562m，地下建筑面積為23075.282m，容積率為3.625。為了滿足擬建建筑物的使用要求，即建筑物的1～2層作為商用場(chǎng)地，2層以上作為民用住宅，需要在建筑物的第三層布設(shè)轉(zhuǎn)換層，為滿足建筑物功能使用要求，最后選用框架——剪力墻結(jié)構(gòu)。

3.2 方案選擇

目前高層建筑轉(zhuǎn)換層形式布局復(fù)雜多樣，依本工程的特點(diǎn)來(lái)看，上部起到承重作用的只有7層，這類層數(shù)相對(duì)較少，所以決定采用普通鋼筋混凝土框架柱。在施工方還沒(méi)有敲定方案之前，對(duì)以下三種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上的比較，從而確定什么樣的方案更合理、經(jīng)濟(jì)。

（1）方案一：剪力墻和柱+實(shí)腹梁式轉(zhuǎn)換層+鋼筋混凝土框支柱；

（2）方案二：剪力墻和柱+箱型轉(zhuǎn)換層+鋼筋混凝土框支柱；

（3）方案三：剪力墻和柱+厚板轉(zhuǎn)換層+鋼筋混凝土框支柱。

3.3 各方案尺寸選擇

3.3.1 豎向結(jié)構(gòu)尺寸

各轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的主要豎向結(jié)構(gòu)截面尺寸布置情況如表1所示。

表1 各轉(zhuǎn)換層方案豎向構(gòu)件尺寸（單位：mm）

3.3.2 水平結(jié)構(gòu)尺寸

各轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)主要水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件的尺寸如下：

方案一：實(shí)腹梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸

表2 梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸

方案二：箱型轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸

箱型轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的肋梁應(yīng)考慮上部軸承垂直結(jié)構(gòu)的厚度，截面尺寸通常由剪壓比控制，其厚度不應(yīng)小于400mm，高度可根據(jù)跨度確定，通?？扇?/5～1/8跨度，此外，為了確保有足夠的剛度，使結(jié)構(gòu)箱形轉(zhuǎn)換層具有良好的完整性，箱型轉(zhuǎn)換，下板厚度不應(yīng)小于180mm。箱式轉(zhuǎn)換如圖1～2所示。

圖1 箱型轉(zhuǎn)換

圖2 箱型轉(zhuǎn)換剖面圖

方案三：厚板轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸

厚板轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的厚度需要考慮的因素較多，如受沖切、受剪、受彎等，通?？梢匀≥S網(wǎng)距離的1/3～1/6，厚度一般在1～3m，因?yàn)檗D(zhuǎn)換厚板的面積較大，宜盡量取小一些，降低工程造價(jià)。根據(jù)本工程的特點(diǎn)厚板厚度取為1200mm。

3.4 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式確定

3.4.1 方案一：實(shí)腹梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)

梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)是實(shí)際工程中應(yīng)用最為廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式，其具有設(shè)計(jì)思路明確、計(jì)算分析簡(jiǎn)單、施工方便等特點(diǎn)。在該項(xiàng)目中，需要轉(zhuǎn)換的垂直構(gòu)件基本上直接落在轉(zhuǎn)換梁，少數(shù)幾處需要做二級(jí)轉(zhuǎn)換，在結(jié)構(gòu)安排上，上部轉(zhuǎn)換構(gòu)件的中心線與梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)應(yīng)力重疊，整體轉(zhuǎn)換受力是有利的，梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度都大，設(shè)計(jì)時(shí)需采取有效措施改善。綜合考慮，梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式的幾種改造方式更為經(jīng)濟(jì)合理。

3.4.2 方案二：箱型轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)

箱形轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的整體剛度、抗彎、抗剪、抗扭轉(zhuǎn)能力強(qiáng)，能有效減少應(yīng)力集中的出現(xiàn)，可以緩輕轉(zhuǎn)換層剛度突變情況，有利于結(jié)構(gòu)抗震；但箱式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的自重較大，會(huì)增加垂直結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)，此外箱型結(jié)構(gòu)多用于轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)作為設(shè)備層的建筑中。綜合考慮，本工程采用箱式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)是不合適的，相對(duì)于梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)期受力性能提升很小，但材料使用成本增加了，而且施工過(guò)程較為繁瑣，整個(gè)項(xiàng)目的成本是比較高的。

3.4.3 厚板轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)

厚板轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)在于頂部垂直組件可以任意排列，以滿足建筑物使用要求。厚板轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的剛度大，受力復(fù)雜，地震作用下會(huì)引起強(qiáng)烈的地震響應(yīng)，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)上下剛度大，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此抗震性能差；厚板轉(zhuǎn)換層施工結(jié)構(gòu)復(fù)雜，材料消耗成本是非常高的。根據(jù)該項(xiàng)目的特點(diǎn)，建筑軸線網(wǎng)的布局規(guī)則，垂直分量轉(zhuǎn)換層以上直接轉(zhuǎn)換為下層的垂直分量，轉(zhuǎn)換形式不復(fù)雜，因此無(wú)需使用厚板轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的推進(jìn)以及城市人口的激增，使得建筑行業(yè)為了滿足城市居民居住的需求，加強(qiáng)了對(duì)于高層建筑的構(gòu)建。事實(shí)上，為了進(jìn)一步提高工程建筑的質(zhì)量，其還加強(qiáng)了對(duì)于梁式轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)。本文主要分析了高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，并就南京市某高層建筑為例，分析了高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)步驟。隨著相關(guān)措施的落實(shí)，我國(guó)的高層建筑必將獲得長(zhǎng)足的發(fā)展，并推動(dòng)我國(guó)社會(huì)的不斷發(fā)展。

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A

2095-2066（2016）34-0168-02

2016-11-23