高層建筑梁、板式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法

【摘要】開(kāi)發(fā)商為了增加高層建筑的利用率和提升經(jīng)濟(jì)效益，通常將低層作為商鋪使用，高層用于辦公或居住。由于建筑上下樓層的功能不同，結(jié)構(gòu)形式也有很大差異。結(jié)構(gòu)不同的相鄰樓層之間需要設(shè)置轉(zhuǎn)換層，一來(lái)可以提供更大的室內(nèi)空間，二來(lái)也能夠確保高層建筑整體的穩(wěn)定性。文章以梁、板式轉(zhuǎn)換層為例，首先對(duì)轉(zhuǎn)換層受力情況進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析，隨后列舉了轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循的兩點(diǎn)原則，最后就如何開(kāi)展科學(xué)設(shè)計(jì)、提高轉(zhuǎn)換層應(yīng)用效果提出了幾點(diǎn)建議。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；轉(zhuǎn)換層；基本原則；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、高層建筑梁、板轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)分析

1.1 底層框支柱和落地剪力墻的受力轉(zhuǎn)換

當(dāng)?shù)讓涌蛑е吐涞丶袅Π吹刃偠葋?lái)分配水平力時(shí)，由于框支柱的側(cè)向剛度通常不到剪力墻側(cè)向剛度的1%，所以在進(jìn)行水平力分擔(dān)時(shí)，框支柱所能分擔(dān)的水平力是極其有限的，甚至可以忽略不計(jì)。但是如果當(dāng)轉(zhuǎn)換層樓板發(fā)生變形時(shí)，處在框支柱區(qū)域內(nèi)的底層的水平位移將會(huì)達(dá)到最大，從而使框支柱實(shí)際受到的剪力要比理論分析所得到的剪力大得多。鑒于以上底層框支柱和落地剪力墻的受力特點(diǎn)分析，需要在工程設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)落地剪力墻和框支柱留有一定的安全儲(chǔ)備。

1.2 建筑底部水平力的分配

在普通建筑中，垂直方向上的壓力直接作用于建筑底部樓層和地基，由于剪力在傳遞過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生明顯的改變，在施工階段只需要做好地基加固工作，就可以保證建筑整體的安全。但是對(duì)于高層建筑來(lái)說(shuō)，由于梁、板式轉(zhuǎn)換層的存在，力的傳遞方式也會(huì)受到相應(yīng)的影響。以垂直方向上的荷載力為例，高層建筑上部荷載力在向下傳遞過(guò)程中，受到梁、板式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的影響，形成水平分力。這個(gè)力平均分布在轉(zhuǎn)換層的平面，可以起到降低建筑結(jié)構(gòu)形變的效果，這也是高層建筑使用梁、板式轉(zhuǎn)換層提升穩(wěn)定性的機(jī)理。

1.3 上下剪力墻的受力關(guān)系

以轉(zhuǎn)換層作為分界，上下剪力墻雖然在結(jié)構(gòu)布置上有很大差異，但是樓層剪力和變形曲線都具有高度的相似性。這是因?yàn)闃菍蛹袅χ饕獊?lái)自于高層建筑各個(gè)樓層在水平方向上產(chǎn)生的壓力，然后再根據(jù)不同樓層上剪力墻的等效剛度進(jìn)行分配。按照這一受力分配特點(diǎn)，下部剪力墻除了要承擔(dān)水平力外，還要受到垂直方向上的重力。落地剪力墻需要承擔(dān)更多的荷載壓力，對(duì)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

2、高層建筑梁、板轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

2.1 平面布局中應(yīng)遵循的原則

高層建筑底部樓層大多采用比較規(guī)則的結(jié)構(gòu)形式，而上部主要是剪力墻結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行平面布置時(shí)，需要遵循以下幾方面的原則：首先，結(jié)構(gòu)對(duì)稱原則，要求保證結(jié)構(gòu)偏心率控制在最大誤差范圍內(nèi)，東西方向上的剛度中心于南北方向的質(zhì)量中心，結(jié)構(gòu)偏差應(yīng)不超過(guò)1m。其次，做好上下剛度突變的控制。轉(zhuǎn)換層的高度，也會(huì)直接影響剛度突變的發(fā)生率。當(dāng)高層建筑中轉(zhuǎn)換層剛度在中高層以上時(shí)，落地剪力墻在多個(gè)作用力的影響下，容易出現(xiàn)受彎裂縫。當(dāng)裂縫發(fā)育到一定程度后，框支柱受到的力也會(huì)成倍的增加。這些力通過(guò)轉(zhuǎn)換層繼續(xù)傳遞到附近的墻體上，破壞墻體的穩(wěn)定性。因此，在梁、板式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的平面設(shè)計(jì)上，也要通過(guò)適當(dāng)降低轉(zhuǎn)換層高度，控制突變。

2.2 豎向布局中應(yīng)遵循的原則

高層建筑轉(zhuǎn)換層的垂直布局上，應(yīng)重點(diǎn)考慮建筑上下樓層的功能和結(jié)構(gòu)形式，做到兼具靈活性和實(shí)用性。首先，增強(qiáng)樓層豎向剛度設(shè)計(jì)，減小轉(zhuǎn)換層與上下樓層的剛度差。這樣一來(lái)，轉(zhuǎn)換層不僅可以發(fā)揮上下功能樓層的協(xié)調(diào)和過(guò)渡作用，而且也可以作為正常樓層，提高了建筑空間的利用率。其次，對(duì)于結(jié)構(gòu)形式比較復(fù)雜的高層建筑，需要重點(diǎn)增加屋面梁的厚度，既可以減小地震災(zāi)害對(duì)高層建筑穩(wěn)定性的破壞，又可以提高樓層剛度。

3、高層建筑梁、板轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法

3.1 做好轉(zhuǎn)換層的分析與計(jì)算工作

在轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)時(shí)，需要提前做好充分的計(jì)算，以保證高層建筑梁、板式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。為了提高分析與計(jì)算結(jié)果的參考價(jià)值，需要注意兩方面的事項(xiàng)：其一是結(jié)合高層建筑的結(jié)構(gòu)模型，計(jì)算各樓層的平面剛度；其二是采用科學(xué)的計(jì)算方法，例如使用有限元計(jì)算軟件，既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大量數(shù)據(jù)的快速計(jì)算，又能夠降低計(jì)算誤差。特別是對(duì)框架剪力墻結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，由于上部剪力墻與多跟柱連接，受力結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，使用有限元計(jì)算軟件，可以將柱結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為梁結(jié)構(gòu)，提高轉(zhuǎn)換層的穩(wěn)定性。

3.2 科學(xué)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)

梁、板式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)雖然在一定程度上提升了建筑內(nèi)部空間，但是也存在一定的問(wèn)題，例如在垂直方向上，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)容易發(fā)生剛度突變。通常來(lái)說(shuō)，只要?jiǎng)偠韧蛔兛刂圃谝欢ǚ秶鷥?nèi)，不會(huì)對(duì)高層建筑整體結(jié)構(gòu)的安全產(chǎn)生影響。但是由于剛度突變本身具有不確定性，突變幅度過(guò)大會(huì)破壞既有的建筑結(jié)構(gòu)，從而引發(fā)安全隱患。例如，高層建筑在遇到較強(qiáng)的地震后，梁、板式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)較為薄弱，需要在設(shè)計(jì)和施工時(shí)重點(diǎn)關(guān)注。

3.3 拖墻形式轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計(jì)

如果所選擇的設(shè)計(jì)方法為轉(zhuǎn)換梁承托上部斜桿框架，這時(shí)轉(zhuǎn)換梁會(huì)受到一種軸向拉力，我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到偏心受拉構(gòu)件，并以此進(jìn)行截面設(shè)計(jì)。更具體地說(shuō)，當(dāng)轉(zhuǎn)換梁承托上部墻體滿跨不開(kāi)洞時(shí)，轉(zhuǎn)換梁和上部墻體會(huì)同一時(shí)間受力且同一時(shí)間作用，而這種同時(shí)受力同時(shí)作用的形態(tài)通常呈現(xiàn)一種深梁形式，此時(shí)轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計(jì)方法比較適宜采用應(yīng)力截面設(shè)計(jì)或深梁截面設(shè)計(jì)，以此得出縱向鋼筋應(yīng)沿全梁高合理分布配置。因此，在開(kāi)展轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計(jì)時(shí)，需要精確計(jì)算轉(zhuǎn)換梁跨能夠承受的最大內(nèi)力，只有確保內(nèi)力始終小于縱向鋼筋的彎折極限，才可以保證轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的安全。

結(jié)語(yǔ)：

現(xiàn)代建筑中高層建筑的比例越來(lái)越多，轉(zhuǎn)換層作為高層建筑中不可或缺的重要結(jié)構(gòu)，需要根據(jù)高層建筑的結(jié)構(gòu)形式、使用功能等，進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，以提高高層建筑的整體使用質(zhì)量。梁板式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，技術(shù)人員要做好受力分析，遵循結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則，提高轉(zhuǎn)換層的應(yīng)用效果。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

莫建華，（1986.5-），男，漢族，廣西賀州人，碩士研究生，工程師，研究方向：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。