高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)分析

王寶立

大連市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 遼寧 大連 116021

1 概述

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市人口也迅速增長(zhǎng)，而城市土地面積有限，于是高層建筑應(yīng)運(yùn)而生，伴隨對(duì)建筑多功能化的需求及技術(shù)的發(fā)展，一種新的復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式出現(xiàn)。這種高層建筑，上部具有較小的開(kāi)間，用于旅店、住宅、辦公等，而下部則需要大開(kāi)間，用于大堂、商業(yè)、文化娛樂(lè)等。

這種結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件不連續(xù)，需在不連續(xù)處設(shè)置轉(zhuǎn)換構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)力的有效傳遞，由此形成轉(zhuǎn)換層。常用轉(zhuǎn)換形式有梁式轉(zhuǎn)換、桁架轉(zhuǎn)換、箱型轉(zhuǎn)換、厚板轉(zhuǎn)換等。其中梁式轉(zhuǎn)換具有傳力直接、明確、計(jì)算過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，施工方便，具有良好的經(jīng)濟(jì)適用效果等特點(diǎn)，在工程中應(yīng)用最為廣泛[1]。

2 轉(zhuǎn)換梁類別

（1）鋼筋混凝土轉(zhuǎn)換梁：鋼筋混凝土轉(zhuǎn)換梁造價(jià)低、施工簡(jiǎn)單、技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)較為成熟，但是轉(zhuǎn)換層數(shù)受限制，當(dāng)轉(zhuǎn)換層數(shù)較多、荷載較大時(shí)，梁高較大，不僅影響使用空間，且自重較大。

（2）型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁：型鋼混凝土梁強(qiáng)度高、韌性好，相比普通鋼筋混凝土轉(zhuǎn)換梁可有效減小轉(zhuǎn)換梁截面尺寸，型鋼可有效提高轉(zhuǎn)換梁的抗剪性能，同時(shí)可提高轉(zhuǎn)換層的整體剛度和抗震承載力。近年來(lái)，型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁在工程中的應(yīng)用越來(lái)越普遍。

（3）預(yù)應(yīng)力混凝土轉(zhuǎn)換梁：預(yù)應(yīng)力混凝土梁具有較多優(yōu)點(diǎn)，如鋼材和混凝土用量小、自重輕、裂縫和撓度小，能跨越較大的跨度等。但預(yù)應(yīng)力梁施工工藝較復(fù)雜，成本較高，且預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁不能有效提高抗剪承載力，所以在減小梁截面尺寸上效果不明顯。

3 框支剪力墻結(jié)構(gòu)和梁托柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)區(qū)別

高層建筑中，常見(jiàn)的梁式轉(zhuǎn)換主要有框支剪力墻結(jié)構(gòu)和梁托柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。這兩種結(jié)構(gòu)雖然都是通過(guò)轉(zhuǎn)換大梁實(shí)現(xiàn)豎向構(gòu)件的轉(zhuǎn)換，但是在受力性能上，兩者明顯不同。梁托柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換梁與普通梁類似，是受彎構(gòu)件，同時(shí)承受較大的彎矩與剪力，軸力相對(duì)較小[2]。框支剪力墻中的轉(zhuǎn)換梁不是受彎構(gòu)件；由于與上部墻體的共同作用，在轉(zhuǎn)換梁上部一定范圍墻體內(nèi)，應(yīng)力以拱的形式傳遞，使得轉(zhuǎn)換梁不僅承受彎矩和剪力，還承受較大拉力，所以轉(zhuǎn)換梁是偏心受拉構(gòu)件。

4 設(shè)計(jì)原則

（1）對(duì)于豎向不規(guī)則的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，要解決的關(guān)鍵問(wèn)題就是解決轉(zhuǎn)換層上下層剛度突變問(wèn)題，以緩解受力、側(cè)移等的突變，避免薄弱層的形成?？赏ㄟ^(guò)增加落地剪力墻厚度、混凝土強(qiáng)度等級(jí)、在轉(zhuǎn)換層及以下增設(shè)剪力墻、剪力墻中加設(shè)型鋼等方法來(lái)加強(qiáng)轉(zhuǎn)換層側(cè)向剛度，滿足設(shè)計(jì)要求[3-4]。

（2）保證轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點(diǎn)的“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”原則，保證豎向力及彎矩的傳遞，提高轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的抗震承載能力、延性、耗能能力。

（3）在梁式轉(zhuǎn)換層中，轉(zhuǎn)換層上部墻柱的剪力要通過(guò)轉(zhuǎn)換層樓板傳遞到落地剪力墻或框支柱上，板受較大剪力，出現(xiàn)變形。故在整體計(jì)算分析時(shí)，不應(yīng)將轉(zhuǎn)換層樓板處理成剛性樓板，同時(shí)應(yīng)加厚樓板，加大配筋，保證剪力傳遞的有效性。

（4）在轉(zhuǎn)換層設(shè)置與轉(zhuǎn)換梁正交的梁，承擔(dān)與轉(zhuǎn)換梁正交方向的墻（柱）底彎矩，避免轉(zhuǎn)換梁承受過(guò)大的扭矩作用，保證彎矩的傳遞[4]。

（5）轉(zhuǎn)換層位置越高，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震越不利，故設(shè)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)換層所在樓層[5]。

5 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑屬于復(fù)雜高層建筑，在結(jié)構(gòu)計(jì)算分析時(shí)應(yīng)至少采用兩個(gè)不同力學(xué)模型的三維空間分析軟件對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析對(duì)比，確保結(jié)構(gòu)分析的準(zhǔn)確性；同時(shí)，應(yīng)采用彈性時(shí)程分析法進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算[4]。之后，還應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)換層及部分上部結(jié)構(gòu)的構(gòu)件進(jìn)行局部有限元分析，尤其是框支剪力墻結(jié)構(gòu)。整體計(jì)算時(shí)，應(yīng)從周期比、側(cè)向剛度比、層間受剪承載力之比、層間位移角等方面去驗(yàn)證概念設(shè)計(jì)中對(duì)轉(zhuǎn)換層加強(qiáng)措施的有效性；避免薄弱層的形成，保證力的有效傳遞，提高轉(zhuǎn)換層的抗震性能。

6 結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)

①結(jié)構(gòu)的傳力途徑在轉(zhuǎn)換層處發(fā)生突變，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換梁及附近相關(guān)構(gòu)件受力大、受力復(fù)雜，易產(chǎn)生應(yīng)力集中。故在構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，除應(yīng)根據(jù)整體分析外，還應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)換構(gòu)件進(jìn)行有限元補(bǔ)充分析。②轉(zhuǎn)換層是整體結(jié)構(gòu)的薄弱部位，且地震作用下的破壞會(huì)造成巨大的人員及財(cái)產(chǎn)損失，故設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)提高轉(zhuǎn)換構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)，保證整體結(jié)構(gòu)的安全性。③應(yīng)提高轉(zhuǎn)換梁、框支柱等轉(zhuǎn)換相關(guān)構(gòu)件的抗震等級(jí)。④嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)換層及以下部分框支柱、落地剪力墻等的軸壓比，保證地震作用下的塑形變形能力，保證結(jié)構(gòu)的安全性。⑤為保證結(jié)構(gòu)具有足夠的承載力及抗震能力，轉(zhuǎn)換層處的構(gòu)件應(yīng)滿足《高規(guī)》[4]中相關(guān)的計(jì)算及構(gòu)造規(guī)定：如構(gòu)件的內(nèi)力的放大系數(shù)，轉(zhuǎn)換梁、框支柱的截面尺寸、配筋率、配箍率、轉(zhuǎn)換梁開(kāi)洞的位置、構(gòu)造等，轉(zhuǎn)換層及相關(guān)樓板的構(gòu)造要求，轉(zhuǎn)換梁上墻體的構(gòu)造要求等。⑥當(dāng)轉(zhuǎn)換梁內(nèi)存在拉力，為保證軸力的傳遞，縱筋的連接應(yīng)采用機(jī)械連接或焊接。

7 結(jié)束語(yǔ)

（1）對(duì)于豎向構(gòu)件不連續(xù)的高層建筑，當(dāng)采用梁式轉(zhuǎn)換時(shí)，應(yīng)區(qū)分是框支剪力墻結(jié)構(gòu)還是梁托柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，根據(jù)受力不同及建筑空間使用要求選擇合適材料的轉(zhuǎn)換梁。

（2）設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從總體設(shè)計(jì)原則出發(fā)，利用概念設(shè)計(jì)來(lái)防止轉(zhuǎn)換層的側(cè)向剛度、層間側(cè)移的突變，避免薄弱層的形成，并保證傳力途徑清晰、有效，保證整體抗震能力。并通過(guò)兩種不同的三維分析軟件來(lái)驗(yàn)證轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)的合理性。

（3）構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，除應(yīng)根據(jù)整體分析外，還應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)換構(gòu)件進(jìn)行有限元補(bǔ)充分析。通過(guò)提高構(gòu)件抗震性能目標(biāo)、抗震等級(jí)、軸壓比、構(gòu)造等方面來(lái)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力、延性，從而提高整體結(jié)構(gòu)的安全性。

[1] 康興榮.高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2002:77.

[2] 傅傳國(guó),鞠好學(xué),宮志超.高層托柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)力學(xué)特點(diǎn)的分析與比較[J].山東建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),2003,(2):1-6.

[3] 黃勤勇,呂西林.轉(zhuǎn)換層上、下剛度比對(duì)框支剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能的影響[J].結(jié)構(gòu)工程師,2003,(1):17-23.

[4] JGJ3-2010.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2011.

[5] 徐培福,傅學(xué)怡,王翠坤,等.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2005:147-149.