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

胡建榮

摘要：當(dāng)前，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快，高層建筑物的數(shù)量在持續(xù)不斷地增加。在高層建筑物中，梁式轉(zhuǎn)換層具有承上啟下的作用，因而在設(shè)計(jì)的過(guò)程中需要與上部結(jié)構(gòu)中的豎向載荷相結(jié)合，通過(guò)進(jìn)行科學(xué)、合理的設(shè)計(jì)與規(guī)劃來(lái)減少結(jié)構(gòu)突變及應(yīng)力集中的現(xiàn)象產(chǎn)生，由此來(lái)保障整個(gè)結(jié)構(gòu)的連續(xù)性以及受力的平穩(wěn)性。

Abstract： At present， with the rapid development of urbanization in China， the number of high-rise buildings is increasing. In high-rise buildings， beam-type transfer floor forms an important connecting link between the preceding and the following， so in the design process， it should be combined with the vertical load in the upper structure， and a scientific and reasonable design and planning should be taken to reduce the structural catastrophe and the stress concentration， which can guarantee the whole structure continuity and the force stability.

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

Key words： beam transfer floor；high-rise building；structural design

中圖分類(lèi)號(hào)：TU972 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）10-0117-03

0 引言

近年來(lái)隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)不斷的發(fā)展，人們的生活質(zhì)量及水平也隨之得到了極大程度的提升與發(fā)展。進(jìn)而，對(duì)相關(guān)建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及要求也在不斷地增加，以此來(lái)更好地滿足人們?cè)谌粘Ｉ钪袑?duì)停車(chē)及購(gòu)物等方面的要求?；诖?，很多的高層建筑采用了梁式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)與規(guī)劃，進(jìn)而提升了整個(gè)高層建筑的實(shí)用性，為人們的生活提供了更多的便捷。

1 高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)概述

1.1 梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

就當(dāng)前我國(guó)高層建筑中應(yīng)用梁式轉(zhuǎn)換層的效果來(lái)看，通過(guò)應(yīng)用梁式轉(zhuǎn)換層能夠促使高層建筑的上下荷載力保持在一個(gè)平衡的狀態(tài)之中，進(jìn)而能夠有效地避免由于結(jié)構(gòu)發(fā)生形變而導(dǎo)致受力不均勻的現(xiàn)象，進(jìn)而增加了整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。此外，在設(shè)計(jì)建筑的過(guò)程中，通過(guò)在梁式轉(zhuǎn)換層中增設(shè)一些管道、通道等線路能夠提升整個(gè)高層建筑多功能性，為其中的用戶提供暖氣、水電等相關(guān)的保障措施。但是，目前我國(guó)帶有國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)換層的高層建筑大多采用的都是上部剪力墻、下部框架式的結(jié)構(gòu)，其框架式剪力墻的結(jié)構(gòu)如圖1所示。這種形式的設(shè)計(jì)還需要通過(guò)應(yīng)用相關(guān)的轉(zhuǎn)換構(gòu)建來(lái)對(duì)高層建筑的結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行重新的分配，進(jìn)而來(lái)調(diào)整高層建筑的內(nèi)部應(yīng)力，防止其發(fā)生形變。

1.2 高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層的構(gòu)造特點(diǎn)

在高層建筑的設(shè)計(jì)過(guò)程中，轉(zhuǎn)換層的應(yīng)用十分普遍，其中的建筑構(gòu)造形式也存在著多樣性的變化，具體如圖2所示。目前，在我國(guó)高層建筑轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)中，梁式轉(zhuǎn)換層的應(yīng)用最多，板式轉(zhuǎn)換層以及箱型轉(zhuǎn)換層等的應(yīng)用次數(shù)較低。梁式轉(zhuǎn)換層由于尺寸較大、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、便于施工等特點(diǎn)，在實(shí)際的建設(shè)設(shè)計(jì)當(dāng)中的應(yīng)用十分廣泛。此外，梁式轉(zhuǎn)換層在高層建筑設(shè)計(jì)應(yīng)用中還有性能穩(wěn)定、工程造價(jià)核算便捷以及經(jīng)濟(jì)效益較高等有利的特點(diǎn)。

1.3 高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層受力特點(diǎn)

梁式轉(zhuǎn)換層在高層建筑應(yīng)用過(guò)程中主要是維持高層建筑內(nèi)部穩(wěn)定，使其能夠受力均勻，通過(guò)上部密集小空間的豎向載荷傳遞到下部稀疏的大空間中。但是由于高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常都比較復(fù)雜，所具有的功能也具有多樣化的特性，從而會(huì)造成內(nèi)部荷載在豎向傳遞的過(guò)程中出現(xiàn)中斷的問(wèn)題，進(jìn)而造成建筑整體剛度發(fā)生突變的現(xiàn)象。這種建筑的形式在發(fā)生地震時(shí)，很容易由于下部結(jié)構(gòu)的稀疏而發(fā)生坍塌及變形的事件。因此，在對(duì)高層建筑進(jìn)行轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)時(shí)，需要針對(duì)受力均衡問(wèn)題展開(kāi)有效的分析與解決，由此來(lái)避免建筑結(jié)構(gòu)被破壞的事故發(fā)生，盡可能地減少相關(guān)財(cái)產(chǎn)的損失。

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

2.1 工程概況

A市某高層建筑，有地下1層，地上22層，總建筑面積為25840m2。其中的1-4層為商業(yè)用房，1層的層高為5m，2-4層的層高為4m，采用框架簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)。5-20層均為住宅層，層高為3m，采用的是剪力墻簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)。21-22層分別是電梯的機(jī)房以及屋面水箱，層高為3m。針對(duì)這種情況，需要在整棟建筑物中的4-5層之間設(shè)置一個(gè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，同時(shí)存放相關(guān)的操作設(shè)備。其樓層結(jié)構(gòu)平面設(shè)置的情況如圖3所示。

2.2 樓層轉(zhuǎn)換方案

在對(duì)這個(gè)高層建筑進(jìn)行樓層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的時(shí)候，所采用的轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)形式為梁式、板式、箱式等多種形式。由于這些轉(zhuǎn)換層能夠形成一個(gè)較大的空間，進(jìn)而完成結(jié)構(gòu)類(lèi)型以及軸線的轉(zhuǎn)變。其中的梁式轉(zhuǎn)換層對(duì)相關(guān)的受力結(jié)構(gòu)比較明確，從而在設(shè)計(jì)及施工過(guò)程中的操作比較便捷，應(yīng)用的范圍較為廣泛。因此，在本工程的施工過(guò)程中采用梁式轉(zhuǎn)換層的方式，其轉(zhuǎn)換層的高度為2.5m，轉(zhuǎn)換梁上、下兩端與樓板相連，上層樓板厚度為20cm，下層樓板的厚度為300cm。轉(zhuǎn)換梁承托上部的剪力墻，且所使用的混凝土強(qiáng)度為C40。

2.3 整體結(jié)構(gòu)分析

在高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層中所使用的轉(zhuǎn)化梁本身是桿件，能夠直接地按照梁?jiǎn)卧M(jìn)行相關(guān)的分析與設(shè)計(jì)，同時(shí)，梁的軸線位于轉(zhuǎn)換層的上層樓板處，在整體結(jié)構(gòu)中需要通過(guò)對(duì)上下層的剛度進(jìn)行比較來(lái)確定適當(dāng)?shù)牧Χ?，防止豎向剛度的變化而形成薄弱層。據(jù)此，轉(zhuǎn)換層的下層柱子截面尺寸可以設(shè)置為110cm×110cm，剪力墻的厚度為50cm，混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C45。同時(shí)，轉(zhuǎn)換層上層的剪力墻的厚度為35cm，混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C45。

2.4 轉(zhuǎn)換梁設(shè)計(jì)

在高層建筑中，轉(zhuǎn)換梁承托上部剪力墻，受力較大，也是保障整個(gè)結(jié)構(gòu)安全性的關(guān)鍵性因素。轉(zhuǎn)換梁的跨度大約在9m左右，截面的高度為2.5m。但是由于我國(guó)在混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范中沒(méi)有明確地給出承載力計(jì)算的方法，進(jìn)而對(duì)此進(jìn)行了兩種連續(xù)短梁的試驗(yàn)研究。

2.4.1 試驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)中所采用的轉(zhuǎn)換梁為轉(zhuǎn)換梁1/5的縮尺模型，其截面尺寸及配筋的形式如圖4所示。

通過(guò)經(jīng)過(guò)相關(guān)試驗(yàn)可知：該轉(zhuǎn)換梁的正截面平均應(yīng)變符合平截面的建設(shè)。斜裂縫在加載點(diǎn)與中支座的內(nèi)剪跨區(qū)的梁腹中部出現(xiàn)，屬于剪斜裂縫，并通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展成為臨界斜裂縫。底部的縱筋和頂部的縱筋會(huì)順著梁的方向來(lái)分散相應(yīng)的應(yīng)力，因而在斜裂縫出現(xiàn)之前，需要與彎矩圖保持一致性，而在斜裂縫出現(xiàn)之后則與彎矩圖產(chǎn)生明顯的差距，由此就說(shuō)明了轉(zhuǎn)換梁內(nèi)的應(yīng)力發(fā)生了較大程度的變化。此外，在轉(zhuǎn)化梁的底部縱筋處于受拉狀態(tài)中，頂部縱筋的內(nèi)剪跨內(nèi)也隨之處于一種受拉狀態(tài)。當(dāng)試驗(yàn)受到破壞時(shí)，內(nèi)剪跨區(qū)段之內(nèi)，臨界斜裂縫的箍筋會(huì)受到一定的拉力，剪壓區(qū)內(nèi)的混凝土壓疏。當(dāng)穿越斜裂縫的箍筋應(yīng)力變化為原來(lái)的應(yīng)力的53%時(shí)，剪壓區(qū)內(nèi)的混凝土中就沒(méi)有壓疏現(xiàn)象。

2.4.2 相關(guān)構(gòu)造要求

依據(jù)相關(guān)的試驗(yàn)結(jié)果，為了保證梁式轉(zhuǎn)換層中的轉(zhuǎn)換梁在斜裂縫出現(xiàn)后能夠起到縱筋拉桿的效果，其底部縱筋不能夠在跨內(nèi)形成彎折或者是截?cái)嗟默F(xiàn)象，需要將整個(gè)縱筋全部地伸入到支座中，并使用相關(guān)的可靠錨進(jìn)行固定。同時(shí)，轉(zhuǎn)換層的頂部縱筋在跨中不能夠較早地被折斷，最好進(jìn)行通長(zhǎng)布置。由于轉(zhuǎn)換梁的橫截面尺寸較大，因此需要依據(jù)梁高來(lái)配置一定數(shù)量的水平腹筋。由此，就能夠承受到一定的受剪承載力，進(jìn)而對(duì)整個(gè)裂縫的發(fā)展情況有一個(gè)抑制的作用，能夠有效地減少相關(guān)溫度以及混凝土收縮對(duì)整個(gè)工程的影響力。

2.5 轉(zhuǎn)換層抗震設(shè)計(jì)

在進(jìn)行轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，由于有轉(zhuǎn)換層的存在，致使高層建筑物在高度方向上的剛度均勻性會(huì)受到較大的影響，進(jìn)而造成承載力構(gòu)件與墻、柱截面產(chǎn)生突變，線路發(fā)生曲折的現(xiàn)象等等，因此，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)需要較大的抗震性能?；诖耍枰谠摻ㄖ?層及以上的部分都設(shè)置部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層。同時(shí)，相關(guān)構(gòu)架的抗震等級(jí)還需要依照國(guó)家相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。此外，還需要配備相關(guān)構(gòu)件抗震性能的構(gòu)造措施，以此來(lái)有效地提升建筑物的抗震等級(jí)，增加高層建筑物轉(zhuǎn)換層的抗震效果。

3 結(jié)語(yǔ)

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，通過(guò)應(yīng)用梁式轉(zhuǎn)換層能夠有效地提升整個(gè)工程的項(xiàng)目建設(shè)效果，由此來(lái)提升整個(gè)高層建筑的穩(wěn)定性。此外，通過(guò)應(yīng)用梁式轉(zhuǎn)換層還能夠在相關(guān)的成本造價(jià)、費(fèi)用方面有一定程度的提升。因此，在高層建筑設(shè)計(jì)的過(guò)程中可以通過(guò)應(yīng)用梁式轉(zhuǎn)換層來(lái)保證整個(gè)建筑工程設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性，同時(shí)還能夠?qū)ο嚓P(guān)設(shè)計(jì)、施工單位的操作進(jìn)行有效的控制，從而避免產(chǎn)生相關(guān)的問(wèn)題及困難，最終做到優(yōu)化高層建筑設(shè)計(jì)，提升整個(gè)工程的結(jié)構(gòu)。

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