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

李 云（湖南長沙410000）

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

李 云（湖南長沙410000）

當(dāng)前，城市化進(jìn)程的不斷加快使得我國高層建筑項目逐漸增多，高層建筑的梁式轉(zhuǎn)換層具有承上啟下的作用，需要對上部結(jié)構(gòu)的豎向載荷進(jìn)行合理的分配，以減少結(jié)構(gòu)突變與應(yīng)力集中現(xiàn)象的出現(xiàn)，確保結(jié)構(gòu)連續(xù)性與受力平穩(wěn)性。此背景下，本文首先分析了高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)內(nèi)容，其次對高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計要點進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，以供參考。

高層建筑；梁式轉(zhuǎn)換層；結(jié)構(gòu)設(shè)計

1 引言

近年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們的生活水平日益提升，對建筑物的要求也越來越高。為了更好的滿足人們對停車與購物等方面的需求，部分建筑物均采用了梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，具有傳力明確、簡潔等優(yōu)勢，已成為當(dāng)前高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計重要形式。

2 高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層設(shè)計相關(guān)內(nèi)容分析

2.1 梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計特點

就當(dāng)前情況來看，梁式轉(zhuǎn)換層在高層建筑結(jié)構(gòu)中獲得了十分廣泛的應(yīng)用，其能夠?qū)⒏邔咏ㄖ纳舷潞奢d進(jìn)行平衡的分配，避免結(jié)構(gòu)形變與受力過度集中在少數(shù)部位，以確保建筑結(jié)構(gòu)的良好穩(wěn)定性。通過采取科學(xué)的設(shè)計方法和施工技術(shù)，例如在梁式轉(zhuǎn)化層中增設(shè)一些管道、通道或者線路，可以滿足建筑物多功能需要，為用戶提供暖氣、水電等保障。目前，國內(nèi)帶轉(zhuǎn)換層高層建筑大多采用了上部剪力墻、下部框架式的結(jié)構(gòu)設(shè)計，其中，框架剪力墻如圖1所示。此類建筑結(jié)構(gòu)需要使用轉(zhuǎn)換構(gòu)件（例如托架式梁）來重新分配結(jié)構(gòu)內(nèi)力，以避免應(yīng)力過度集中而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)形變現(xiàn)象的出現(xiàn)。

2.2 高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層主要構(gòu)造特點

圖1 框架剪力墻示意圖

轉(zhuǎn)換層在高層建筑設(shè)計中獲得了十分普遍的應(yīng)用，構(gòu)造形式也呈現(xiàn)多樣化特征，具體如圖2所示?；诋?dāng)前國內(nèi)高層建筑轉(zhuǎn)換層設(shè)計發(fā)現(xiàn)，梁式轉(zhuǎn)換層占比約為75%、板式轉(zhuǎn)換層占比約12%、桁架式轉(zhuǎn)換層（圖3）占比約為9.4%、箱型轉(zhuǎn)換層占比約為3.6%的。通過實踐應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，梁式轉(zhuǎn)換層具有以下特征：尺寸相對較大、應(yīng)用十分廣泛、結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、便于施工使用、經(jīng)濟(jì)效益較高、性能穩(wěn)定、工程造價核算便捷等，但如果設(shè)計不合理，就會影響整個結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗震效果，并且還會降低內(nèi)部空間利用率。

2.3 高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層受力特點

梁式轉(zhuǎn)換層的主要功能在于維持高層建筑內(nèi)部受力均衡，其能夠?qū)⑸喜棵芗】臻g的豎向載荷傳遞至下部稀疏大空間中，由于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計較復(fù)雜，功能也呈現(xiàn)多樣化特征，樓層內(nèi)部荷載在豎向傳遞過程中可能會出現(xiàn)中斷與不連貫的問題，極容易引發(fā)建筑整體結(jié)構(gòu)剛度突變現(xiàn)象。一旦遇到地震災(zāi)害，高層建筑由于下部結(jié)構(gòu)比較疏密，極有可能發(fā)生坍塌和變形故障。所以，在進(jìn)行高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計時，首先要解決受力均衡問題，以避免內(nèi)部受力傳導(dǎo)不連貫而引發(fā)應(yīng)力突變、結(jié)構(gòu)形變等問題，降低建筑結(jié)構(gòu)破壞風(fēng)險，避免重大生命財產(chǎn)損失現(xiàn)象的發(fā)生。

圖2 高層建筑轉(zhuǎn)換層構(gòu)造形式

圖3 桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)示意圖

3 高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

3.1 轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計

在進(jìn)行高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層截面設(shè)計時，首先需要對梁的受力性能與轉(zhuǎn)換層的受力形式進(jìn)行充分的考慮，之后再選用適宜的計算方式。轉(zhuǎn)換梁截面主要包括托柱轉(zhuǎn)換梁截面與托墻轉(zhuǎn)換梁截面兩種形式，其中，在進(jìn)行托柱轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計時，需要對其截面尺寸范圍進(jìn)行全面的分析，該梁的受力形式與普通梁的受力形式基本相同，所以，應(yīng)當(dāng)在綜合考慮建筑物配筋情況的基礎(chǔ)上選用合理的計算方式。如果轉(zhuǎn)換梁的承托為斜桿框架形式，其軸向拉力會對其造成一定的影響，此情況下，設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)在分析偏心受拉構(gòu)件原理的基礎(chǔ)上，不斷優(yōu)化截面設(shè)計。在進(jìn)行托墻形式的轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計時，應(yīng)對轉(zhuǎn)換梁與上部墻體共同工作的結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分的考慮，如果還存在深梁，則在進(jìn)行此類截面設(shè)計時，應(yīng)按深梁截面進(jìn)行設(shè)計，在部分情況下也可采用應(yīng)力截面設(shè)計方法，但需要依據(jù)特定的設(shè)計公式計算縱向鋼筋數(shù)量。此外，對于鋼筋的布置，應(yīng)沿著梁高進(jìn)行。

3.2 轉(zhuǎn)換層分析計算方法

在完成了轉(zhuǎn)換層整體計算之后，應(yīng)當(dāng)采用平面有限元計算軟件對轉(zhuǎn)換層進(jìn)行相應(yīng)的計算，主要為補(bǔ)充計算其局部壓力。在進(jìn)行高層建筑轉(zhuǎn)換層局部分析時，需確保轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)上樓層與下樓層均在計算模型中，并且還要充分考慮樓層樓蓋平面內(nèi)剛度，然后依據(jù)轉(zhuǎn)換層實際情況選擇合理的計算模型?？蛑Ъ袅Φ挠嬎阆鄬?fù)雜，其上部剪力墻需要連接至下面的諸多框支柱，如果存在連接不正確的現(xiàn)象，計算往往會出現(xiàn)較大的誤差，所以，在進(jìn)行轉(zhuǎn)換層框支剪力墻計算時，應(yīng)在上部剪力墻與下部轉(zhuǎn)換柱之間設(shè)置轉(zhuǎn)換梁，以保證轉(zhuǎn)換梁與上部剪力墻可靠連接。

3.3 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計

高層建筑轉(zhuǎn)換層附近的結(jié)構(gòu)豎向剛度極容易發(fā)生突變問題，豎向抗側(cè)力構(gòu)件部位也極容易發(fā)生不連續(xù)的問題，進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)換層上下有結(jié)構(gòu)傳力突變問題的出現(xiàn)，尤其是在強(qiáng)震作用影響下，建筑物薄弱部位就會相應(yīng)的產(chǎn)生結(jié)構(gòu)傳力突變。要想提升轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)的剛度，應(yīng)當(dāng)加大轉(zhuǎn)換層附近結(jié)構(gòu)的構(gòu)件剛度，以確保水平剪力的傳遞，并且還能夠在強(qiáng)震作用下確保結(jié)構(gòu)底層具有一定的延性，避免出現(xiàn)脆性破壞。

3.4 轉(zhuǎn)換大梁設(shè)計

①在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為了將轉(zhuǎn)換層樓板上層結(jié)構(gòu)的水平剪力傳遞至下層抗剪結(jié)構(gòu)，通常需要承受較大的平面內(nèi)剪力與一些豎向荷載，這就要求樓板要有足夠的剛度與強(qiáng)度。②轉(zhuǎn)換層大梁具有承托建筑上部剪力墻或由柱傳遞的豎向荷載的作用，其自身受力較大，是建筑整體結(jié)構(gòu)抗震的重要部位，所以，在進(jìn)行整體轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計時，必須重視轉(zhuǎn)換大梁設(shè)計。

3.5 轉(zhuǎn)換層抗震設(shè)計

在進(jìn)行轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計時，由于設(shè)置了轉(zhuǎn)換層，沿著建筑物高度方向剛度的均勻性會受到較大的影響，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)豎向承載力構(gòu)件不連續(xù)與墻、柱截面的突變，還會導(dǎo)致傳力路線曲折等現(xiàn)象的出現(xiàn)，所以轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的抗震性能大多較差。此情況下，為了確保轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的安全性，應(yīng)當(dāng)在建筑物的3層及以上部位布設(shè)部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層，此方面目前已有相關(guān)規(guī)定。對于建筑轉(zhuǎn)換層的框支柱、底部剪力墻的抗震等級，應(yīng)當(dāng)按照《高規(guī)》中的相關(guān)規(guī)定提高一級使用，如果已經(jīng)為特一級，不應(yīng)再提高。同時，還應(yīng)積極實施提升相關(guān)構(gòu)件抗震性能的抗震構(gòu)造措施。對于高層建筑底部轉(zhuǎn)換層框架，如果核心筒結(jié)構(gòu)與外圍是密柱框架的筒中筒結(jié)構(gòu)，可不提高結(jié)構(gòu)的抗震等級。此外，在進(jìn)行抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度地區(qū)的抗震設(shè)計時，還應(yīng)當(dāng)對豎向地震作用的影響進(jìn)行充分的考慮。

3.6 樓板設(shè)計

一般情況下，高層建筑結(jié)構(gòu)的上部水平剪力需要通過轉(zhuǎn)換層傳遞至下部結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)換層樓面在其平面內(nèi)受力較大，使得樓板存在較明顯的變形現(xiàn)象，所以應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增加結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層樓面的厚度，可采用厚度不低于180mm的現(xiàn)澆板，可促進(jìn)轉(zhuǎn)換層平面內(nèi)剪力的重新分配，并且還可增強(qiáng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換大梁的側(cè)向剛度與抗扭能力，使得實際情況更加符合高層建筑結(jié)構(gòu)整體計算中樓層剛度無限大的基本假設(shè)。如果混凝土強(qiáng)度大于C30，并且采用雙向雙排鋼筋網(wǎng)時，需確保每一排鋼筋的配筋率大于0.25%。此外，轉(zhuǎn)換層樓板部位不應(yīng)當(dāng)存在較大的開洞，在進(jìn)行開洞作業(yè)時，應(yīng)當(dāng)在洞口周圍設(shè)置次梁或暗梁，樓板開洞位置應(yīng)盡量遠(yuǎn)離外側(cè)邊，并且適當(dāng)加強(qiáng)轉(zhuǎn)換層相鄰層的樓板。

4 結(jié)束語

綜上所述，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，通過梁式轉(zhuǎn)換層的合理應(yīng)用，可提升項目建設(shè)指標(biāo)，確保高層建筑的穩(wěn)定性。同時，梁式轉(zhuǎn)換層還可獲得顯著的效益，所以，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)充分利用梁式轉(zhuǎn)換層，以保證高層建筑具備穩(wěn)定的應(yīng)力結(jié)構(gòu)。此外，在高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計時，設(shè)計單位必須嚴(yán)格遵循相關(guān)設(shè)計規(guī)范，避免設(shè)計問題的出現(xiàn)，優(yōu)化高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計。

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TU973.3

A

2095-2066（2016）24-0150-02

2016-8-13

李 云（1980-），男，工程師，本科，主要從事建筑設(shè)計及管理工作。