淺談高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計

石開明

（黑龍江省寒地建筑科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱150000）

高層建筑具有更大的空間，樓層也在不斷提升，為了充分發(fā)揮出高層建筑的價值，設(shè)計者改變了建筑原本單一化的功能，很多高層建筑上部樓層被定位成居民住宅，而下半部分則支持辦公與商業(yè)活動，多功能型建筑的數(shù)量也逐漸增加。下部樓層需要設(shè)置的墻體不多，同時柱網(wǎng)較大，而上部分剛好相反，為了轉(zhuǎn)換不同樓層的差異化功能，需應(yīng)用水平轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件，即進(jìn)行轉(zhuǎn)換層施工。現(xiàn)探討梁式轉(zhuǎn)換層這種常用轉(zhuǎn)換層的設(shè)計方法。

1 轉(zhuǎn)換層系統(tǒng)分析

如果高層建筑的最底部位置設(shè)置了結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，轉(zhuǎn)換層上部區(qū)域的一些豎向類構(gòu)件難以實現(xiàn)貫通，必須有合適的轉(zhuǎn)換構(gòu)件。常見的轉(zhuǎn)換構(gòu)件有厚板、箱形結(jié)構(gòu)、斜撐系統(tǒng)與轉(zhuǎn)換大梁。厚板轉(zhuǎn)換構(gòu)件在地震中會受到相對比較大的影響，因此施工應(yīng)用相對受限；箱形轉(zhuǎn)換構(gòu)件具有良好的整體性，剛度也很高，約束力度強(qiáng)，但是施工過程過于繁瑣，同時需要的施工應(yīng)用成本也很高。梁式轉(zhuǎn)換是被運(yùn)用最多的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換梁上設(shè)置了剪力墻，借助轉(zhuǎn)換柱對轉(zhuǎn)換梁進(jìn)行支持，該種轉(zhuǎn)換層不需過高的建設(shè)成本，施工過程相對其他的轉(zhuǎn)換層更為簡單，具有明確的傳力方向。

2 設(shè)計梁式轉(zhuǎn)換層的重點事項

2.1 縮減豎向構(gòu)件與對稱布置剪力墻、轉(zhuǎn)換柱。為高層建筑設(shè)計梁式轉(zhuǎn)換層時，需重視豎向構(gòu)件的使用，重點控制其數(shù)量，如果使用過多的豎向構(gòu)件來建設(shè)結(jié)構(gòu)，就必須對過多的豎向構(gòu)件實施轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換層也會因此而形成剛度突變的現(xiàn)象，影響到結(jié)構(gòu)抗震效果。

布置剪力墻與轉(zhuǎn)換柱時，需堅持對稱設(shè)置的施工原則，轉(zhuǎn)換柱被設(shè)置到轉(zhuǎn)換梁上方，具體應(yīng)處于跨中部位，如果轉(zhuǎn)換梁形成變形的問題，轉(zhuǎn)換柱并不會受到過多影響；如果不采取這種設(shè)置方式，轉(zhuǎn)換柱就會被變形梁直接帶動，加大變形幅度，同時轉(zhuǎn)換柱還會受到彎曲應(yīng)力與剪切應(yīng)力的沖擊。

2.2 對下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)化。在梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，下部分的整體空間需滿足抗震、延性、強(qiáng)度以及剛度方面的要求，因此需對下部結(jié)構(gòu)實施強(qiáng)化，使其形成更高的強(qiáng)度，對待上部空間結(jié)構(gòu)系統(tǒng)時，則需弱化其剛度，通過該方法，使主體結(jié)構(gòu)的上下部分剛度特征與變形情況基本保持一致?？山o下部結(jié)構(gòu)運(yùn)用截面尺寸比較大的豎向構(gòu)件，也可將混凝土材料的強(qiáng)度提升，或者增設(shè)剪力墻。如果通過剪力墻對結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度進(jìn)行提升，需均勻分布整個結(jié)構(gòu)的剛度，同時使結(jié)構(gòu)剛度中心與質(zhì)量中心基本保持重合，預(yù)防偏心問題；一旦形成偏心的情況，建筑主體結(jié)構(gòu)將形成整體扭轉(zhuǎn)的問題。

除了保障下部結(jié)構(gòu)的剛度之外，還必須保障轉(zhuǎn)換本身的剛度，以此來提升建筑具有的抗震能力。設(shè)計梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)時，就需要考慮到強(qiáng)度方面的問題。在常規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計條件下，轉(zhuǎn)換梁構(gòu)件截面高度不可低于結(jié)構(gòu)跨度的1/8，借此合理分布結(jié)構(gòu)內(nèi)力，轉(zhuǎn)換梁與剪力墻柱均能夠形成極佳的受力性能。針對轉(zhuǎn)換層，可加厚其樓板，同時強(qiáng)化混凝土強(qiáng)度，進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化轉(zhuǎn)換層，強(qiáng)化其結(jié)構(gòu)剛度的目標(biāo)。

2.3 不可將轉(zhuǎn)換層高度設(shè)置得過高。如果轉(zhuǎn)換層的位置偏高，轉(zhuǎn)換層周邊的框支剪力墻原本的傳力途徑、內(nèi)力與剛度均會產(chǎn)生突變的情況，進(jìn)而使薄弱層產(chǎn)生。如果在高處設(shè)置轉(zhuǎn)換層，應(yīng)控制其下部分的框支結(jié)構(gòu)在同一效率上對應(yīng)的剛度，主要對彎曲、剪切以及軸向構(gòu)件具有的剛度實施控制，盡可能縮減內(nèi)力突變幅度。嚴(yán)格把控落地型剪力墻之間的距離。

2.4 做好計算分析工作。分析與設(shè)計轉(zhuǎn)換層系統(tǒng)時，需要掌握整體結(jié)構(gòu)以及其中的梁式轉(zhuǎn)換層的受力變形情況，為了使分析過程更為直觀，可運(yùn)用三維空間技術(shù)，分析結(jié)構(gòu)，也可選擇有限元方法在轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的局部位置上開展補(bǔ)充計算分析。

3 設(shè)計梁式轉(zhuǎn)換層的要點

3.1 設(shè)計轉(zhuǎn)換層上部框架。對于轉(zhuǎn)換層上部框架設(shè)計而言，應(yīng)遵循強(qiáng)柱弱粱的原則，設(shè)計過程中，設(shè)計人員應(yīng)確保在粱的端末位置存在塑性鉸，其目的在于提升柱梁的安全性。根據(jù)相關(guān)梁式轉(zhuǎn)換層的研究實驗表明，梁式轉(zhuǎn)換層與柱的相連位置通常是極為貧弱的點，較容易產(chǎn)生安全事故，而梁式轉(zhuǎn)換層的受力還存在一定的復(fù)雜性，應(yīng)力相對較為集中，對此，設(shè)計人員在具體的設(shè)計過程中，應(yīng)充分考慮框架的受力情況，再給予科學(xué)合理的設(shè)計。例如，設(shè)計轉(zhuǎn)換層上部框架時，設(shè)計人員為了確保設(shè)計質(zhì)量，應(yīng)充分計算相關(guān)應(yīng)力。另外，對于與框架連接的縱向鋼筋的配筋，設(shè)計人員也應(yīng)給予合理設(shè)計，提高柱體的穩(wěn)定性，確保上部框架的安全、可靠。具體而言，在抗震等級為1 級的情況下，配筋分配的概率應(yīng)大于等于1%；抗震等級為2 級情況下，配筋的分配率應(yīng)該為大于等于0.8%；抗震等級為3 級時，配筋率應(yīng)為大于等于0.7%；抗震等級為4 級時，配筋率應(yīng)為大于等于0.6%，鋼筋間距應(yīng)在80～200mm之間。

3.2 設(shè)計轉(zhuǎn)換梁。由于上部荷載作用點或荷載作用線經(jīng)常與轉(zhuǎn)換梁截面中心線不重合,使得轉(zhuǎn)換梁產(chǎn)生扭矩,而梁的抗扭承載力較低因此設(shè)計時不僅要通過計算來確定抗扭承載力是否能滿足,還應(yīng)在設(shè)計之初就盡量使兩者重合，有條件的情況下可設(shè)置雙向轉(zhuǎn)換梁來平衡扭矩。轉(zhuǎn)換梁截面尺寸一般由剪壓比控制，寬度不小于其上墻厚的2 倍,且不小于400mm；高度不小于計算跨度的1/8。

轉(zhuǎn)換梁存在復(fù)雜的受力狀況，其作為傳輸上部樓層與下部樓層荷載的重要載體，同時還要對剪力墻系統(tǒng)進(jìn)行保障，確保其滿足抗震要求，可將其看成是轉(zhuǎn)換層系統(tǒng)不可或缺同時又極為復(fù)雜的受力類構(gòu)件，設(shè)計時進(jìn)行安全準(zhǔn)備是非常必要的，下部與上部運(yùn)用的縱向鋼筋需符合配筋率要求。

3.3 設(shè)計轉(zhuǎn)換粱截面。高層建筑的施工設(shè)計環(huán)節(jié)中，其梁式轉(zhuǎn)換層轉(zhuǎn)換粱是設(shè)計要點，需要設(shè)計人員確保轉(zhuǎn)換粱的設(shè)計質(zhì)量。具體設(shè)計過程中，粱截面是重點，需要設(shè)計人員加強(qiáng)研究，以能夠真正確保梁式轉(zhuǎn)換層的穩(wěn)定。一般情況下，梁式轉(zhuǎn)換層主要包括托住形式、托墻形式兩種。當(dāng)轉(zhuǎn)換粱為托住形粱，且轉(zhuǎn)換粱是對上部普通框架進(jìn)行承托時，給予常規(guī)截面面積設(shè)計即可，但轉(zhuǎn)換粱與普通粱的受力應(yīng)具有一致性；轉(zhuǎn)換率的設(shè)計過程中，如果轉(zhuǎn)換粱是對上部斜桿框架進(jìn)行承托，此轉(zhuǎn)換粱則會受到軸向拉力的影響，因此，轉(zhuǎn)換粱截面應(yīng)根據(jù)偏心受拉構(gòu)件進(jìn)行計算設(shè)計；若果轉(zhuǎn)換梁是對上部墻體進(jìn)行承托，并且具有滿跨不開洞的特點時，上部墻體與轉(zhuǎn)換粱是共同受力關(guān)系，為了確保轉(zhuǎn)換粱的安全可靠，設(shè)計人員可以采取應(yīng)力截面設(shè)計、深粱截面設(shè)計的方法。

3.4 設(shè)計轉(zhuǎn)換粱構(gòu)造。在轉(zhuǎn)換粱的設(shè)計工作中，設(shè)計人員也可以根據(jù)剪壓比確定粱的界面尺寸，通過計算則能夠確保含箍率的適合，進(jìn)而避免梁體應(yīng)用過程中的受力損壞現(xiàn)象產(chǎn)生。轉(zhuǎn)換粱構(gòu)造的設(shè)計工作中，設(shè)計人員應(yīng)盡量確保結(jié)構(gòu)的完整性，避免一些孔洞設(shè)計形式存在，如必需要設(shè)計相關(guān)孔洞時，設(shè)計人員應(yīng)主要在粱中、軸位置設(shè)置洞口，另外，對于洞口的上弦桿、下弦桿也要給予有效的加固措施，如增加密筋的方式，提高其抗剪能力。

3.5 設(shè)計轉(zhuǎn)換柱。轉(zhuǎn)換柱截面尺寸主要由軸壓比控制并應(yīng)滿足剪壓比要求。為保證轉(zhuǎn)換柱具有足夠延性，對其軸壓比應(yīng)嚴(yán)格控制，對部分因截面尺寸較大而形成的“短柱”，軸壓比的控制應(yīng)更加嚴(yán)格。柱截面延性還與配箍率有密切關(guān)系，因而轉(zhuǎn)換柱的配箍率也比一般框架柱大得多。作為重要的豎向構(gòu)件，為增加安全性，對轉(zhuǎn)換柱端剪力及柱端彎矩均要乘以相應(yīng)的增大系數(shù)。

3.6 設(shè)計轉(zhuǎn)換樓板。以轉(zhuǎn)換層為界限，框支剪力墻在下部與上部具有差異化的內(nèi)力分布特點。在上部樓層系統(tǒng)中，形成的外荷載主要結(jié)合等效剛度按照具體的比例進(jìn)行分配；在下半樓層中，落地型剪力墻與框支柱具有不同的剛度，落地剪力墻集中承受水平剪力，分配荷載時形成突變。設(shè)計轉(zhuǎn)換層樓板時要考慮到樓板在平面范圍內(nèi)變形幅度大，受力也比較多，因此要使其形成充足的剛度，厚度需超過180mm，采取雙向雙層配置鋼筋的方式，每個方向每個樓層的配筋率都應(yīng)高于0.25%，以此達(dá)到剛度設(shè)計要求。

4 結(jié)論

梁式轉(zhuǎn)換層在建筑中應(yīng)用得越來越多，但是其中結(jié)構(gòu)設(shè)計部分的工作是比較復(fù)雜的，設(shè)計者需結(jié)合設(shè)計要求實施設(shè)計，本文全方位地分析了梁式轉(zhuǎn)換層的重點設(shè)計事項，同時分析各個部分的具體設(shè)計問題，設(shè)計者需加深對梁式轉(zhuǎn)換層系統(tǒng)的認(rèn)識，控制關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對梁式轉(zhuǎn)換層以及多功能型建筑的整體安全性加以保障。