探索超限高層建筑主次梁轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

王凱

1 引言

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)水平的不斷提升，城市人口數(shù)量急劇增多。在進(jìn)行城市規(guī)劃工作中，對(duì)于空間規(guī)劃有了更高的需求，這一期間城市中高層建筑的數(shù)量明顯提升。在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，由于建筑的層數(shù)較多，并且結(jié)構(gòu)具有較大的系統(tǒng)性、復(fù)雜性，因此在進(jìn)行設(shè)計(jì)工作時(shí)要對(duì)多方面的因素進(jìn)行綜合考慮，同時(shí)還要對(duì)結(jié)構(gòu)各部位的受力情況進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治?，?duì)于相關(guān)參數(shù)的選取要經(jīng)過仔細(xì)的分析、研究，進(jìn)而提升高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性、可靠性。

2 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的定義

一般來說，建筑工程上下部結(jié)構(gòu)在使用功能方面會(huì)存在著較大的差異。對(duì)于結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層來說，該樓層的上部和下部采用不同的結(jié)構(gòu)類型，并且通過轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)，可以進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)方面的轉(zhuǎn)換。根據(jù)結(jié)構(gòu)功能的不同，可以將轉(zhuǎn)換層大體分為兩類：①上層與下層結(jié)構(gòu)類型的轉(zhuǎn)換。這一類型的轉(zhuǎn)換層多用于剪力墻結(jié)構(gòu)以及框架－剪力墻結(jié)構(gòu)中，同時(shí)通過轉(zhuǎn)換層的應(yīng)用可以把上部剪力墻轉(zhuǎn)換成下部的框架，這樣一來就可以創(chuàng)造一個(gè)較大的內(nèi)部自由空間；②上、下層的柱網(wǎng)、軸線改變。雖然轉(zhuǎn)換層的上部、下部結(jié)構(gòu)形式?jīng)]有發(fā)生改變，但是通過轉(zhuǎn)換層的使用，可以使下層柱的柱距進(jìn)一步擴(kuò)大，進(jìn)而可以形成大柱網(wǎng)。也就是說上部樓層剪力墻結(jié)構(gòu)通過應(yīng)用轉(zhuǎn)換層，可以進(jìn)一步改變?yōu)榭蚣芙Y(jié)構(gòu)，并且柱網(wǎng)軸線和上部樓層之間的軸線是錯(cuò)開的，進(jìn)而可以形成上下結(jié)構(gòu)不對(duì)齊的布置狀況。

3 結(jié)構(gòu)選型以及結(jié)構(gòu)布置的分析

3.1 框架剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

由于受到使用功能方面的需要，建筑的底層結(jié)構(gòu)一般需要較大的自由空間，因而經(jīng)常采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)；建筑中層通常應(yīng)用剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行過渡，但是對(duì)于較高樓層來說，它的內(nèi)力傳遞需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換構(gòu)件。如果采用厚轉(zhuǎn)換形式，它的傳力路線質(zhì)量大，并且受力較為復(fù)雜、不清晰，這就造成了轉(zhuǎn)換層附近構(gòu)件應(yīng)力集中的問題。同時(shí)，由于受到造價(jià)費(fèi)用的影響，因而現(xiàn)階段多采用主次梁轉(zhuǎn)換。

3.2 相對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于超限高層建筑的主次梁結(jié)構(gòu)有著較多的優(yōu)勢(shì)，比如說施工過程較為簡(jiǎn)單、受力明確，并且設(shè)計(jì)施工過程中開設(shè)的洞口大多在轉(zhuǎn)換梁受力較小的部位，因而這一結(jié)構(gòu)能夠滿足建筑設(shè)施的管線布置以及建筑使用功能等方面的要求。在進(jìn)行轉(zhuǎn)換梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，要針對(duì)具體的工程建設(shè)狀況來進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)而提升超限高層建筑的穩(wěn)定性與安全性。

4 超限高層建筑主次梁轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 延性剪力墻的設(shè)計(jì)

在進(jìn)行剪力墻的剪應(yīng)力設(shè)置過程中，對(duì)于剪應(yīng)力水平結(jié)構(gòu)的設(shè)置要參考實(shí)際工程的基數(shù)進(jìn)行確定。超高高層建筑中的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，其剪力墻在一般的地震狀況下水平剪應(yīng)力為0.025。對(duì)于轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)上層樓層的剪力墻來說，其剪應(yīng)力相對(duì)較小（0.017）。因此，為了保證在一般地震狀態(tài)下建筑內(nèi)部的剪力墻結(jié)構(gòu)不發(fā)生剪切破壞。因而在進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中，要采用彈性態(tài)下的水平地震作用增大系數(shù)的方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。對(duì)于這一設(shè)計(jì)方法來說，其主體思路為：如果建筑工程結(jié)構(gòu)在罕遇的地震條件下仍處于彈性狀態(tài)，那么要根據(jù)一般規(guī)范對(duì)罕遇地震以及多遇地震的水平地震影響系數(shù)進(jìn)行合理的取值，這一過程中一般會(huì)取最大值αmax，這樣一來可以擴(kuò)大多遇地震條件下的水平地震作用效果。同時(shí)，設(shè)計(jì)過程中還要將材料分項(xiàng)系數(shù)取為1.0，荷載分項(xiàng)系數(shù)也要取為1.0。在對(duì)內(nèi)力結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要確保G+βT=R+6.95E。其中，式中的G表征重力荷載作用一般值，R表征多遇地震條件下，水平地震影響下的標(biāo)準(zhǔn)值。應(yīng)用這一方法進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以確保罕遇地震作用下，超限高層轉(zhuǎn)換層的剪力墻可以承受最大的剪應(yīng)力為0.146。這樣一來，能夠保證在罕遇地震的條件下，剪力墻不會(huì)出現(xiàn)剪切破壞等一系列的問題。

4.2 風(fēng)力負(fù)荷載重和地震作用下超限高層層間位移角的控制

在地震荷載的作用之下，要確保超限高層建筑工程的穩(wěn)定性和安全性，就要嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定做好地震基底剪力以及重力荷載的取值工作。同時(shí)，設(shè)計(jì)過程中還要在一定程度上對(duì)建筑結(jié)構(gòu)層的底部加強(qiáng)區(qū)域剪力墻進(jìn)行控制，并且要對(duì)其他部位的剪力墻以及框架支柱、非框架支柱的軸壓比進(jìn)行合理的控制。

4.3 轉(zhuǎn)換層樓板平面內(nèi)的剛度控制

在進(jìn)行高層建筑的施工工作時(shí)，大多的樓板是采用現(xiàn)澆混凝土的方式進(jìn)行施工。一般來說，施工過程中樓板的厚度在200mm左右。這一過程中，要控制好轉(zhuǎn)換層下層樓板平面內(nèi)的剛度要求，提升轉(zhuǎn)換層的性能。同時(shí)，還要對(duì)樓板的厚度進(jìn)行嚴(yán)格的控制，大多數(shù)的轉(zhuǎn)換層下層樓板的厚度主要為150mm左右。從結(jié)構(gòu)的布置方面來看，設(shè)計(jì)過程中最好要確保轉(zhuǎn)換層樓板的對(duì)稱性能，同時(shí)還要控制好薄弱部分樓板的厚度，并且要對(duì)配筋密度進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

5 案例分析

5.1 工程概況

某超限高層建筑工程位于廣州市某地，施工現(xiàn)場(chǎng)呈長(zhǎng)條型布置。建筑的總體面積達(dá)到了125456m2。其中，地上部分的面積占到了112520m2，地下部分的面積是12951m2。設(shè)計(jì)過程中，嚴(yán)格按照廣州市規(guī)劃局以及相關(guān)開發(fā)商的要求進(jìn)行，該建筑此主要以商品住樓為主，同時(shí)還包含一些辦公樓。該工程地下部分是兩層，地上部分有31層。該工程的第一層為商場(chǎng)，第二層以及第三層作為辦公使用，第四層就是會(huì)所并且還是建筑的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，因而對(duì)于空間的要求較大，設(shè)計(jì)過程中主要采用框架剪力墻的結(jié)構(gòu)。建筑的5到31層是住宅。設(shè)計(jì)過程中，由于考慮到厚板轉(zhuǎn)換的受力較復(fù)雜，并且質(zhì)量大、造價(jià)高，因而采用了主次梁轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)，圖1為轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)平面布置圖。

圖1 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)平面布置圖

5.2 主次梁轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

就該工程來說，屬于丙類的建筑群，并且抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度。設(shè)計(jì)過程中，基本地震的加速度值取為0.1g。建筑地面的粗糙度是C類，并且建筑體形系數(shù)μs取為1.4。設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)用PMSAP進(jìn)行樓板應(yīng)力大小的分析，并且對(duì)結(jié)構(gòu)的自振周期以及剪重比、基底等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。另外，設(shè)計(jì)過程中為了避免出現(xiàn)薄弱層，嚴(yán)格按照《高規(guī)》中附錄E要求進(jìn)行樓層側(cè)向剛度的控制。在進(jìn)行該工程轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，轉(zhuǎn)換層上一層的剪力墻厚度為200～350mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C55。對(duì)于轉(zhuǎn)換層以及下部的結(jié)構(gòu)來說，其剪力墻的厚度應(yīng)加大為700mm，采用的混凝土為C60等級(jí)。另外，該超限高層建筑工程的轉(zhuǎn)換層和上層結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比γe是X向于Y向分別是0.9032和0.9125，對(duì)于這一數(shù)值符合《高規(guī)》中的相關(guān)規(guī)定。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)平面布置工作時(shí)，對(duì)于扭轉(zhuǎn)進(jìn)行了重點(diǎn)的考慮，下表1為該工程指標(biāo)對(duì)比分析狀況。

5.3 超限高層建筑主次梁轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

根據(jù)我國建設(shè)部頒布實(shí)施的《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》中的相關(guān)條款與規(guī)定，該工程屬于超限高層建筑。在設(shè)計(jì)過程中，為了提升建筑大空間的使用需求，同時(shí)為了滿足裙房剛度方面的要求，設(shè)計(jì)過程中對(duì)于上下結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度比進(jìn)行了嚴(yán)格的控制。這樣一來，能夠避免建筑沿豎向剛度變化太過懸殊的問題。嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)換層上下結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度比。設(shè)計(jì)過程中，為了確保一定比例的剪力墻落地，因而通過加大落地剪力墻厚度的形式來提升落地比例。同時(shí)，設(shè)計(jì)中也對(duì)落地剪力墻的混凝土強(qiáng)度等級(jí)進(jìn)行了良好的控制。設(shè)計(jì)時(shí)降低了洞口的尺寸，并且確?？v橫墻連接，進(jìn)而可以形成一個(gè)筒體結(jié)構(gòu)。對(duì)于轉(zhuǎn)換層樓板平面內(nèi)的整體性以及側(cè)向剛度的控制來說，主要使用現(xiàn)澆混凝土樓板的方式進(jìn)行把控，并且板厚值取200mm。另外，對(duì)于轉(zhuǎn)換層上一層以及下一層的樓板平面內(nèi)剛度進(jìn)行了研究，并且將板厚確定為150mm。該建筑的結(jié)構(gòu)布置采用左右對(duì)稱的方式，并且在一些薄弱部位，對(duì)樓板進(jìn)行了加厚處理，同時(shí)對(duì)于樓板的配筋問題也進(jìn)行了考慮。

6 結(jié)束語

進(jìn)入21世紀(jì)以來，伴隨著國內(nèi)建筑行業(yè)的快速發(fā)展，主次梁結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層在超限高層建筑中得到了廣泛的應(yīng)用。在進(jìn)行轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作時(shí)，設(shè)計(jì)人員要對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的具體情況進(jìn)行全面的分析與研究，并控制好設(shè)計(jì)工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，不斷建筑結(jié)構(gòu)安全性、可靠性與耐久性，促進(jìn)我國建筑行業(yè)的健康、長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

表1 采用SATWE與YJK計(jì)算的工程指標(biāo)對(duì)比分析

[1]祝偉昌，劉代平.淺談轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（9）：59～61.

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