建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中梁式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計

周佳 姚林國

摘 要：隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，我國建筑行業(yè)的發(fā)展也是突飛猛進(jìn)。加之我國城市化進(jìn)程和腳步越來越快，城市人口不斷增加，人們對多功能高層建筑的需求也越來越大。高層建筑成為解決人口擁擠的有效手段，另外高層建筑的功能也開始向復(fù)雜化、綜合化以及全面化發(fā)展。本文通過對梁式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)形式與受力特點分析，探討了梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則和構(gòu)造的方法，為相關(guān)設(shè)計工作者提供一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)；粱式轉(zhuǎn)換層；結(jié)構(gòu)設(shè)計

高層建筑尤其是綜合化、體型復(fù)雜化的多功能建筑成為城市建設(shè)的發(fā)展趨向。在同一座建筑中，由于各個樓層被賦予的功能不同，上部樓層可能用于辦公，中部樓層用于旅館、住宅，而下部用于文化設(shè)施、商店和餐館。加之建筑功能對空間的要求與結(jié)構(gòu)的正常布置相反，因此必須在有結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的樓層設(shè)置轉(zhuǎn)換構(gòu)件，即轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。

1 梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的受力特點

梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)傳力途徑采用墻（柱）-轉(zhuǎn)換梁-柱（墻）的形式，實現(xiàn)高層建筑的垂直轉(zhuǎn)換，以傳力直接、作用明顯、施工方便，便于工程計算、分析和設(shè)計，且造價合理等優(yōu)勢在高層建筑中被廣泛應(yīng)用。轉(zhuǎn)換梁受力形式與受力大小受上部結(jié)構(gòu)形式、轉(zhuǎn)換梁上下層相對剛度、轉(zhuǎn)換梁位置等因素的息息相關(guān)。轉(zhuǎn)換梁的最終受力狀態(tài)由墻（轉(zhuǎn)換柱）、轉(zhuǎn)換梁作為一個整體共同彎曲變形和拱的傳力作用綜合影響。墻（轉(zhuǎn)換柱）、轉(zhuǎn)換梁作為一個整體共同彎曲變形，轉(zhuǎn)換梁處于整體彎曲的受拉翼緣，若單獨分析轉(zhuǎn)換梁，其所受的彎矩由于剪力墻（轉(zhuǎn)換柱）的共同作用而大大降低，同時，由于處于受拉翼緣，轉(zhuǎn)換梁會出現(xiàn)軸向拉力。由于豎向傳力拱作用的存在，使上部墻體上的豎向荷載傳到轉(zhuǎn)換梁時，很大一部分荷載以斜向荷載的形式作用于轉(zhuǎn)換梁上，將此斜向荷載分解后，豎向荷載很顯然比不考慮墻體作用下的荷載要小；水平荷載則形成了在轉(zhuǎn)換梁跨中一定區(qū)域受軸向拉力，支座區(qū)域受軸向壓力的現(xiàn)象，所以一般轉(zhuǎn)換梁屬于偏心受拉構(gòu)件。

2 轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計需遵循的原則

帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)是一受力復(fù)雜不利抗震的高層建筑結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計需遵循的原則是：

2.1 減少轉(zhuǎn)換布置轉(zhuǎn)換層上下主體豎向結(jié)構(gòu)時，要注意盡可能多的布置成上下主體豎向結(jié)構(gòu)連續(xù)貫通，尤其是在核心筒框架結(jié)構(gòu)中，核心筒宜盡量予以上下貫通。

2.2 傳力直接布置轉(zhuǎn)換層上下主體豎向結(jié)構(gòu)時，要注意盡可能使水平轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)傳力直接，盡量避免多級復(fù)雜轉(zhuǎn)換，更應(yīng)盡量避免傳力復(fù)雜、抗震不利、質(zhì)量大、耗材多、不經(jīng)濟不合理的厚板轉(zhuǎn)換。

2.3 強化下部、弱化上部為保證下部大空間整體結(jié)構(gòu)有適宜的剛度、強度、延性和抗震能力，應(yīng)盡量強化轉(zhuǎn)換層下部主體結(jié)構(gòu)剛度，弱化轉(zhuǎn)換層上部主體結(jié)構(gòu)剛度，使轉(zhuǎn)換層上下部主體結(jié)構(gòu)的剛度及變形特征盡量接近。對于下部核心筒框架、上部剪力墻的帶轉(zhuǎn)換層高層商住樓結(jié)構(gòu)，應(yīng)強化下部核心筒，如加大筒體尺寸、加厚筒壁厚度、加高混凝土強度等級，必要時可在房屋周邊增置部分剪力墻；同時弱化上部剪力墻，如剪力墻開洞、開口、短肢、薄墻等，并盡量避免高位轉(zhuǎn)換。

2.4 優(yōu)化轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時，當(dāng)建筑功能需要不得已高位轉(zhuǎn)換時，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)還宜優(yōu)先選擇不致引起框支柱（邊柱）柱頂彎矩過大、柱剪力過大的結(jié)構(gòu)形式，如斜腹桿析架（包括支撐）、空腹析架和寬扁梁等，同時要注意其需滿足強度、剛度要求，避免脆性破壞。

3 梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計與構(gòu)造

由框支主梁承托轉(zhuǎn)換次梁及次梁上的剪力墻，其傳力途徑多次轉(zhuǎn)換，受力復(fù)雜。框支主梁除承受其上部剪力墻的作用外，還需要承受梁傳給的剪力，扭矩和彎矩，框支主梁易受剪破壞。對于有抗震設(shè)防要求的建筑，為了改善結(jié)構(gòu)的受力性能，提高其抗震能力，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)平面布置時，可以將一部分剪力墻落地，并貫通至基礎(chǔ)，做成落地剪力墻與框支墻與剪力墻協(xié)同工作的受力體系。

3.1轉(zhuǎn)換梁的設(shè)計與構(gòu)造要求

轉(zhuǎn)換梁的截面尺寸一般宜由剪壓比計算確定，以避免脆性破壞和具有合適的配箍率。轉(zhuǎn)換梁不宜開洞，若需要開洞，洞口宜位于梁中和軸附近。洞口上、下連梁必須采取加強措施，箍筋要加密，以增強其抗剪能力。上、下連梁箍筋計算時宜將剪力設(shè)計值乘放大系數(shù)1.2。當(dāng)洞口內(nèi)力較大時，可采用型鋼構(gòu)件來加強。轉(zhuǎn)換梁的混凝土強度等級不應(yīng)低于C30。轉(zhuǎn)換梁上、下主筋的最小配筋率非抗震設(shè)計時為0.3%，轉(zhuǎn)換梁中主筋不宜有接頭，轉(zhuǎn)換梁上部主筋至少應(yīng)有50% 沿梁全長貫通，下部主筋應(yīng)全部貫通伸入柱內(nèi)。

3.2框支柱的設(shè)計與構(gòu)造要求

框支柱截面尺寸一般由其軸壓比計算確定。地震作用下框支柱內(nèi)力需調(diào)整：抗震設(shè)計時，框支柱的柱頂彎矩應(yīng)乘以放大系數(shù)，并按放大后的彎矩設(shè)計值進(jìn)行配筋；剪力調(diào)整：框支柱承受的地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按下列規(guī)定采用：框支柱的數(shù)目不多于1 0根時，當(dāng)框支層為1～2層時，每層第每根柱承受的剪力應(yīng)至少取基底剪力的2%；當(dāng)框支層為3層及3層以上時，各層每根柱所受的剪力應(yīng)至少取基底剪力的3%；框支柱的數(shù)目多于10根時，當(dāng)框支層為1～2層時，每層每根柱承受的剪力之和應(yīng)取基底剪力的20%；當(dāng)框支層為3層及3層以上時，每層框支柱承受剪力之和應(yīng)取基底剪力的30%；框支柱剪力調(diào)整后，應(yīng)相應(yīng)調(diào)整框支柱的彎矩及柱端梁的剪力、彎矩，框支柱軸力可不調(diào)整。

框支柱全部縱向鋼筋配筋率，抗震等級一級時不小于1.2%，二級時不小于1.0%，三級時不小于0.9%、四級及非抗震設(shè)計時不小于0.8%?？v向鋼筋間距抗震設(shè)計時不大干200MM，且不小于80MM，全部縱向鋼筋配筋率不宜大于4 %。

3.3轉(zhuǎn)換梁的截面設(shè)計方法

應(yīng)力截面設(shè)計方法：對轉(zhuǎn)換梁進(jìn)行有限元分析得到的結(jié)果是應(yīng)力及其分布規(guī)律，為能直接應(yīng)用轉(zhuǎn)換梁有限元法分析后的應(yīng)力大小及其分布規(guī)律進(jìn)行截面的配筋計算，假定不考慮混凝土的抗拉作用，所有拉力由鋼筋承擔(dān)鋼筋達(dá)到其屈服強度設(shè)計值。受壓區(qū)混凝土的強度達(dá)到軸心抗壓強度設(shè)計值。

3.4轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計方法的選擇

當(dāng)轉(zhuǎn)換梁承托上部普通框架時，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)計方法進(jìn)行配筋計算。當(dāng)轉(zhuǎn)換梁承托上部斜桿框架時，轉(zhuǎn)換梁將承受軸向拉力，此時應(yīng)按偏心受拉構(gòu)件進(jìn)行截面設(shè)計。

3.5托墻形式轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計

當(dāng)轉(zhuǎn)換梁承托上部墻體滿跨不開洞時，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，此時轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計方法宜采用深梁截面設(shè)計方法或應(yīng)力截面設(shè)計方法，且計算出的縱向鋼筋應(yīng)沿全梁高適當(dāng)分布配置。由于此時轉(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斷和彎起，應(yīng)全部伸入支座。當(dāng)轉(zhuǎn)換梁承托上部墻體為小墻肢時，轉(zhuǎn)換梁基本上可按普通梁的截面設(shè)計方法進(jìn)行配筋計算，縱向鋼筋可按普通梁集中布置在轉(zhuǎn)換梁的底部。

4 轉(zhuǎn)換梁設(shè)計的注意點

4.1轉(zhuǎn)換梁設(shè)計占高層建筑轉(zhuǎn)換層設(shè)計的決大多數(shù)，在實際應(yīng)用中，通常把轉(zhuǎn)換層作為設(shè)備層來使用。因此，在轉(zhuǎn)換梁設(shè)計中要考慮腹部開口相對大小和開口位置。

4.2要充分考慮轉(zhuǎn)換梁與上部結(jié)構(gòu)共同工作的程度，通常分為完全、部分和沒有共同工作三種情況來分析，否則會造成梁的跨中彎矩和支座剪力與實際情況有很大差異。

4.3盡量避免轉(zhuǎn)換層與下部結(jié)構(gòu)豎向剛度產(chǎn)生突變，對下部結(jié)構(gòu)在滿足建筑物使用功能要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)提高下部結(jié)構(gòu)的截面尺寸，增加剪力墻、提高混凝土的強度等級，一般轉(zhuǎn)換層混凝土強度等級應(yīng)不低于C30。

4.4設(shè)計時要充分考慮施工的可操作性和滿足建筑外觀的要求。

5 結(jié)語

轉(zhuǎn)換層設(shè)計是結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個難點，更是不同形式結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵點，設(shè)計時應(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)方案才能實現(xiàn)安全、適用、經(jīng)濟等綜合目標(biāo)。

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[3] 關(guān)度豪.試述如何做好高層建筑轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].價值工程，2010

（作者單位：江蘇中珩建筑設(shè)計研究院有限公司）