高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

沈潔

長(zhǎng)沙市建筑設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 湖南 長(zhǎng)沙 410007

在現(xiàn)代建筑工程設(shè)計(jì)與施工中，為滿足功能要求，不得不設(shè)置轉(zhuǎn)換層，而且雖然轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)種類較多，但目前以梁式轉(zhuǎn)換層最為常用。在實(shí)際工作中，應(yīng)保證轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，以充分發(fā)揮應(yīng)有作用效果。

1 工程概況

某高層建筑工程總建筑面積約26000m2，地上共22層，設(shè)1層地下室。其中，地上1層至地上4層主要用于商業(yè)，地上1層樓層高度為5.0m，地上2層至地上4層樓層高度為4.0m，采用框筒體系。地上5層至地上20層主要用于住宅，樓層高度為3.0m，結(jié)構(gòu)體系與商業(yè)用房相同。地上21層至頂層為機(jī)房與水箱，樓層高度為3.0m。為滿足以上功能要求，需在地上1層和2層之間設(shè)置轉(zhuǎn)換層，并兼做設(shè)備層使用。建筑不在抗震區(qū)。

2 轉(zhuǎn)換層具體方案與分析

2.1 轉(zhuǎn)換層方案

對(duì)于轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，主要有如下幾種：梁式轉(zhuǎn)換層、桁架式轉(zhuǎn)換層、板式轉(zhuǎn)換層與箱形轉(zhuǎn)換層。以上結(jié)構(gòu)均能形成較大空間，并實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)或者是軸線的順利轉(zhuǎn)變。對(duì)于梁式轉(zhuǎn)換層，具有受力明確、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、施工方便等優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際中的應(yīng)用十分廣泛。另外，轉(zhuǎn)換梁上實(shí)際受力相對(duì)較小的位置還能設(shè)置洞口，可滿足不同的使用功能，為管線布置創(chuàng)造良好條件?；诖耍竟こ痰霓D(zhuǎn)換層主要采用這種結(jié)構(gòu)[1]。

在轉(zhuǎn)換層中，高度為2.5m，上、下端和樓板直接相連，上、下層樓板的厚度分別為200mm和300mm，直接承托上部墻體；一般采用C40混凝土；截面尺寸采用以下公式計(jì)算：

式（1）中，Vmax表示轉(zhuǎn)換梁支座截面最大剪力組合設(shè)計(jì)值； 表示為滿足結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要求的調(diào)整系數(shù)；fc表示混凝土結(jié)構(gòu)軸心強(qiáng)度；b表示轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)截面寬度，為900mm；h0表示轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)有效高度，為2500mm。

2.2 結(jié)構(gòu)分析

結(jié)構(gòu)分析需要采用相關(guān)軟件進(jìn)行。對(duì)轉(zhuǎn)換梁而言，它屬于桿件，可將其視作梁?jiǎn)卧M(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，將軸線確定在上層樓板。

為避免豎向剛度產(chǎn)生較大變化而出現(xiàn)薄弱層，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)將上層和下層的剛度之比控制在2以內(nèi)，并盡可能接近于1，即：

式（2）中，Gi表示第i層的剪變模量；Gi+1表示第i+1層的剪變模量i表示折算后的第層截面積；i+1表示折算后的第i+1層截面積；hi表示第i層的樓層高度；hi+1表示第i+1層的樓層高度。

基于此，對(duì)于轉(zhuǎn)換層下部柱結(jié)構(gòu)，其截面尺寸確定為1100mm×1100mm，墻厚確定為500mm和450mm，采用不低于C45的混凝土；對(duì)于轉(zhuǎn)換層上部墻體，厚度確定為350mm，采用不低于C45的混凝土。采用式（2）可以計(jì)算出主軸上的上層和下層的剛度之比，即1.71與1.51。從計(jì)算結(jié)果中可以看出，前三個(gè)自振周期分別為：（1）x方向：1.537s、0.449s和0.224s；（2）y方向：1.717s、0.515s和0.275s。樓層間的相對(duì)側(cè)移及頂點(diǎn)實(shí)際位移都能達(dá)到現(xiàn)行規(guī)范的具體要求。

3 梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)承托上部墻體，實(shí)際受力相對(duì)較大，對(duì)保證結(jié)構(gòu)安全有重要作用，是必須引起重視的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。結(jié)構(gòu)跨度在8.05～9.00m范圍內(nèi)，高度為2.5m，跨度和高度之比為3.22～3.60，是典型的連續(xù)短梁。由于我國(guó)相關(guān)規(guī)范還未給出這種結(jié)構(gòu)的承載力確定方法，因此，需對(duì)兩跨連續(xù)短梁實(shí)施試驗(yàn)與分析研究[2]。

3.1 試驗(yàn)成果

在試驗(yàn)中采用的梁結(jié)構(gòu)為按1/5比例縮小的模型，如圖1所示，通過(guò)試驗(yàn)與分析可知：

圖1 試驗(yàn)梁

（1）模型正截面上的平均應(yīng)變與平截面假定相符。

（2）斜裂縫最先出現(xiàn)于加載點(diǎn)到中支座的內(nèi)剪跨區(qū)段的梁腹中部，即為腹剪式斜裂縫，最終會(huì)變成臨界斜裂縫。裂縫分布情況如圖2所示。

圖2 裂縫分布情況

（3）縱筋在梁長(zhǎng)度方向上的應(yīng)變實(shí)際分布，與斜裂縫產(chǎn)生前，和彎矩圖基本一致；而產(chǎn)生裂縫后，和彎矩圖出現(xiàn)明顯差別，這在很大程度上說(shuō)明了梁中存在應(yīng)力重分布現(xiàn)象；當(dāng)梁即將發(fā)生破壞時(shí)，縱筋在全長(zhǎng)范圍內(nèi)處在受拉的實(shí)際狀態(tài)。

（4）在試驗(yàn)梁被破壞后，于內(nèi)剪跨區(qū)段中，從臨界斜裂縫上穿過(guò)的箍筋處在受拉屈服狀態(tài)，使剪壓區(qū)中的混凝土被壓疏。邊支座上的外剪跨區(qū)到加載點(diǎn)之間的范圍中，從臨界斜裂縫中穿過(guò)的箍筋，其應(yīng)變是屈服應(yīng)變的一半左右，但混凝土未壓疏。

（5）當(dāng)試驗(yàn)梁被破壞時(shí)，從臨界斜裂縫中穿過(guò)的水平方向上的腹筋，其拉應(yīng)變一般是屈服應(yīng)變的一半。由此可以看出，水平方向上的腹筋未發(fā)揮應(yīng)有功能。

（6）從試驗(yàn)梁撓度檢測(cè)結(jié)果可知，梁本身是具有良好抗彎剛度與強(qiáng)度的。

3.2 承載力計(jì)算

根據(jù)上述試驗(yàn)成果，需將正截面上的受彎承載力依然按照普通梁體結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算；梁體上的受剪承載力一般由箍筋與混凝土共同承擔(dān)，此外水平方向上的腹筋也承受一定程度的承載力，但貢獻(xiàn)率不超過(guò)11%。在這種情況下，對(duì)于水平方向上的腹筋，通?？刹挥杩紤]，視作安全儲(chǔ)備。受剪承載力可以采用以下公式計(jì)算確定：

式（3）中，λ表示計(jì)算剪跨比；ft表示混凝土材料抗拉強(qiáng)度； 表示箍筋的抗拉強(qiáng)度； 表示配置在相同截面中箍筋所有分肢的總截面面積；s表示箍筋之間的距離；b表示轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)截面寬度；h0表示轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)有效高度[3]。

3.3 構(gòu)造要求

通過(guò)對(duì)以上試驗(yàn)成果的分析，為保證轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)在產(chǎn)生斜裂縫以后，所設(shè)置的縱筋可以起到應(yīng)有的拉桿作用，并形成穩(wěn)定的受力體系，對(duì)于底部縱筋，不允許在跨中進(jìn)行截?cái)嗷蛘呤菑澠?，需要全部伸到支座?dāng)中，同時(shí)要有可靠的錨固；跨中周圍的頂部縱筋不得過(guò)早的發(fā)生截?cái)?，在條件允許的情況下，進(jìn)行通長(zhǎng)布置。

梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的截面尺寸相對(duì)較大，在梁高范圍內(nèi)應(yīng)設(shè)置腹筋。對(duì)于水平方向上的腹筋，不僅能提供受彎與受剪承載力，而且還能有效抑制裂縫，對(duì)減小溫度因素影響也有重要作用。此外，截面尺寸還和剪壓比有關(guān)，應(yīng)盡量符合式（1）具體要求。

整體結(jié)構(gòu)中，梁式轉(zhuǎn)換層至關(guān)重要，對(duì)保證結(jié)構(gòu)安全有關(guān)鍵性的作用，結(jié)構(gòu)正常使用時(shí)，要求不產(chǎn)生斜裂縫，其截面尺寸要達(dá)到以下要求：

式（4）中，Vs表示不考慮地震影響時(shí)的支座截面剪力短期效應(yīng)組合值。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，對(duì)于梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，具有受力明確的顯著特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單。本工程所用轉(zhuǎn)換梁是典型的連續(xù)短梁，無(wú)論是受力性能，還是承載力的計(jì)算，都和普通的梁結(jié)構(gòu)有明顯差異。