高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

文／王秀梅 北京四方繼保工程技術(shù)有限公司 北京 100000

1、高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)概述

高層建筑的數(shù)量隨著城市化發(fā)展不斷增多，當(dāng)前高層建筑通常為復(fù)合型多功能結(jié)構(gòu)，建筑的1 ～3 層一般為娛樂場所或開間商鋪，3 層以上則為正常的民用住宅結(jié)構(gòu)，同一個(gè)建筑中融合了不同的使用功能。這種高層建筑的下部豎向構(gòu)件相對(duì)稀疏，而上部豎向構(gòu)件比較密集，為使上部豎向構(gòu)件的內(nèi)力安全有效地傳遞到下部豎向構(gòu)件，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，而梁式轉(zhuǎn)換傳力途徑明確、受力性能好、構(gòu)造簡單、施工方便，因此梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)是高層建筑工程中使用最為頻繁的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)類型。梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)：

1.1 協(xié)調(diào)性

在設(shè)計(jì)梁式轉(zhuǎn)換層建筑過程中，根據(jù)梁式轉(zhuǎn)換層自身復(fù)雜性，提升設(shè)計(jì)方案的合理性。應(yīng)遵循相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，結(jié)合高層建筑對(duì)層數(shù)與剛度的要求，重視設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)并重視變形問題，以提高高層建筑的穩(wěn)定性與協(xié)調(diào)性。

1.2 多樣性

梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)具有多樣化的特點(diǎn)，有許多結(jié)構(gòu)類型，在設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員需要全面考慮影響梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)性能的因素，尤其要注意結(jié)構(gòu)受力情況與穩(wěn)定性。

1.3 不規(guī)則

梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)呈不規(guī)則性，大底盤底部具有面積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，其發(fā)揮的作用取決于應(yīng)用的領(lǐng)域。一般建筑下面用于商業(yè)辦公、酒店公寓等。

2、梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則

2.1 盡可能減少需要轉(zhuǎn)換的豎向構(gòu)件的數(shù)量

同一層，豎向構(gòu)件減少的數(shù)量越多，其側(cè)向剛度與上層樓層相比突變的越明顯，在地震作用下上下兩層的層間位移角以及剪力分布變化越大，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)與其他專業(yè)相互配合協(xié)商盡可能地減少需要轉(zhuǎn)換的豎向構(gòu)件的數(shù)量。

2.2 科學(xué)設(shè)置轉(zhuǎn)換層

帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最重要的就是確保轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)上下剛度和承載力的合理性。想要保證轉(zhuǎn)換層上下層結(jié)構(gòu)之間的傳力效果，設(shè)計(jì)人員進(jìn)行結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)時(shí)要將轉(zhuǎn)換層上部豎向構(gòu)件盡量直接落在轉(zhuǎn)換層的主結(jié)構(gòu)上，避免多級(jí)復(fù)雜轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)不宜設(shè)置在較高的樓層上，轉(zhuǎn)換層上下樓層的結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度相差較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換層上下結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力突變，而轉(zhuǎn)換層位置相對(duì)較高時(shí)，這種內(nèi)力突變會(huì)進(jìn)一步加劇，而且轉(zhuǎn)換層位置較高時(shí)，建筑的底部加強(qiáng)范圍會(huì)增大，構(gòu)件的內(nèi)力、截面以及配筋都會(huì)相應(yīng)地增大，造成工程成本的增加，因此盡量避免結(jié)構(gòu)在高位轉(zhuǎn)換。如果建筑工程比較特殊必須在高位轉(zhuǎn)換，此時(shí)技術(shù)人員要嚴(yán)格控制落地剪力墻結(jié)構(gòu)的間隔距離以及結(jié)構(gòu)下部剛度。

2.3 豎向構(gòu)件在平面上的布置要均勻和周邊化

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，由于建筑布置的不合理會(huì)出現(xiàn)某個(gè)區(qū)域豎向構(gòu)件無法落地的情況，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)與其他專業(yè)相互配合協(xié)調(diào)以保證豎向構(gòu)件在平面上的整體布置是均勻的，周邊化的，不可以出現(xiàn)剪力墻集中出現(xiàn)在某個(gè)部位，框支剪力墻集中布置在另一個(gè)部位，這對(duì)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)和抗扭都是非常不利的。

2.4 簡化傳力路徑

想要充分發(fā)揮梁氏轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換優(yōu)勢，設(shè)計(jì)人員在設(shè)置轉(zhuǎn)換層時(shí)應(yīng)盡量避免復(fù)雜的傳力設(shè)計(jì)，盡量簡化轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的傳力路徑，減少間接的傳力結(jié)構(gòu)。在轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)中要嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的縱向構(gòu)件使用數(shù)量，降低多級(jí)轉(zhuǎn)換的頻率。

2.5 精準(zhǔn)計(jì)算

計(jì)算分析是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟，計(jì)算各種狀態(tài)下的轉(zhuǎn)換構(gòu)件受力情況，在進(jìn)行受力計(jì)算時(shí)，需要對(duì)三維空間進(jìn)行整體計(jì)算，模擬其實(shí)際受力變形狀態(tài)，據(jù)此對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效分析，在整個(gè)計(jì)算過程中最重要的就是保證模型數(shù)據(jù)的真實(shí)性，建立以梁柱、剪力墻等重要結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的計(jì)算模型，并結(jié)合梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求及轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)需要達(dá)到的剛度標(biāo)準(zhǔn)和傳力效果等進(jìn)行反復(fù)計(jì)算求證。

3、梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 轉(zhuǎn)換大梁設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時(shí)，轉(zhuǎn)換梁作為一根桿件參與計(jì)算，轉(zhuǎn)換梁與上部的剪力墻協(xié)同工作情況考慮不夠，因此再用其他有限元軟件相對(duì)準(zhǔn)確地模擬邊界約束情況進(jìn)行局部有限元分析來計(jì)算相應(yīng)部位的配筋；同時(shí)考慮到轉(zhuǎn)換梁的受力特點(diǎn)實(shí)際為偏心受拉，因此設(shè)計(jì)時(shí)可以適當(dāng)?shù)卦龃筠D(zhuǎn)換梁下部的縱向受拉鋼筋的配筋量；上部剪力墻的布置盡量布置在梁的軸線上，但實(shí)際工程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)偏心的情況，此種情況下還應(yīng)單獨(dú)復(fù)核轉(zhuǎn)換梁的抗扭強(qiáng)度，考慮梁的抗扭構(gòu)造措施；結(jié)構(gòu)整體分析時(shí)上部剪力墻對(duì)轉(zhuǎn)換梁支座的垂直壓力作用反映不夠，設(shè)計(jì)中還應(yīng)將剪力墻底部的總垂直力作為轉(zhuǎn)換梁的荷載進(jìn)行抗剪強(qiáng)度的復(fù)核，以確保梁的受力安全。

3.2 框支柱設(shè)計(jì)

框支柱是轉(zhuǎn)換層非常重要的豎向受力構(gòu)件，因此規(guī)范從多個(gè)方面加強(qiáng)框支柱的抗震措施以確?？蛑е酥琳麄€(gè)建筑的受力安全。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)當(dāng)慎之又慎考慮周全。必須準(zhǔn)確確定底部加強(qiáng)部位以及構(gòu)件的抗震等級(jí)，判斷是否有薄弱層以及薄弱層的位置，判斷是否考慮豎向地震的影響，正確考慮框架柱以及框支柱的剪力調(diào)整。

3.3 樓板設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)整體分析時(shí)采用的是樓板平面內(nèi)剛度無窮大的假定，在轉(zhuǎn)換層的交界處內(nèi)力突變，樓板傳遞很大的內(nèi)力，所以為了減少總體分析的誤差保證模型接近樓板平面內(nèi)剛度無窮大假定，就需要加大樓板的厚度，同時(shí)也可以提高轉(zhuǎn)換梁的抗扭能力，規(guī)范規(guī)定不宜小于180mm，設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)轉(zhuǎn)換層上下兩層的剛度變化以及內(nèi)力變化情況適當(dāng)調(diào)整，當(dāng)上下變化較大時(shí)可以加厚樓板以利于該部位內(nèi)力的傳遞和重分布。另外盡量避免在轉(zhuǎn)換層樓板處開大洞，如果要開洞，洞口周邊設(shè)梁加強(qiáng)，洞口周邊的樓板加厚處理；洞口宜布置在建筑的中間部位，距周邊應(yīng)有較大距離;如果不得不將電梯間或樓梯間設(shè)置于大空間部位，宜將洞口用鋼筋混凝土墻圍成筒體。

3.4 框支梁截面尺寸設(shè)計(jì)

框支梁結(jié)構(gòu)是高層建筑轉(zhuǎn)換層中的關(guān)鍵受力構(gòu)件結(jié)構(gòu)，其不僅負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換層上下結(jié)構(gòu)的荷載傳導(dǎo)，還能強(qiáng)化剪力墻結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)和穩(wěn)固程度。為此，工程設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行框支梁構(gòu)件的截面尺寸設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)采取相應(yīng)抗震設(shè)計(jì)措施來滿足結(jié)構(gòu)抗震需求。例如，如果建筑工程抗震等級(jí)為特一級(jí)，建筑轉(zhuǎn)換層中框支梁構(gòu)件的配筋率要控制在0.6%以上。由于偏心受拉轉(zhuǎn)換梁存在一定軸力，因此設(shè)計(jì)人員需要在該構(gòu)件中加設(shè)抗扭腰筋，腰筋需要插入構(gòu)件支座的內(nèi)部，梁高的間隔距離不得超過200mm，這樣能夠增強(qiáng)框支梁的抗拉性能?？蛑Я鹤鳛檗D(zhuǎn)換層中關(guān)鍵傳力構(gòu)件，設(shè)計(jì)人員進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要遵循“弱彎強(qiáng)剪”的原則，確保結(jié)構(gòu)中縱筋配置數(shù)量符合標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，還要增加箍筋的數(shù)量。設(shè)計(jì)人員需要強(qiáng)化箍筋密度，一般要將構(gòu)件的配箍率提升到1.5%以上，這樣才能滿足該抗震級(jí)別中的框支梁結(jié)構(gòu)箍筋標(biāo)準(zhǔn)。

3.5 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)直接影響著超高層建筑的使用質(zhì)量，需要提高基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的科學(xué)性，避免后續(xù)的建筑施工受到影響。為解決超高層建筑使用中的傾斜問題，需要提高對(duì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的重視程度，做到合理設(shè)計(jì)建筑物埋入地下的深度，確?；A(chǔ)設(shè)計(jì)符合工程的實(shí)際情況。對(duì)于超高層建筑中基礎(chǔ)的埋深設(shè)計(jì)，要求設(shè)計(jì)人員充分考慮建筑的荷載分布、結(jié)構(gòu)高度、地質(zhì)條件等情況，選出最合理、最經(jīng)濟(jì)的方案。同時(shí)，一般在超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，經(jīng)常選擇多層地下室，必須保證基礎(chǔ)嵌固端的剛度達(dá)到要求，防止地基基礎(chǔ)發(fā)生位移的狀況，從而保證建筑結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性。

3.6 受力性能設(shè)計(jì)

在超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要充分考慮建筑整體的受力性能，若是建筑結(jié)構(gòu)的受力性能無法達(dá)到要求，勢必會(huì)影響建筑使用的安全，也會(huì)帶來較大的建筑維修成本。在超高層建筑的受力性能不過關(guān)的情況下，環(huán)境因素對(duì)建筑安全的影響較大，經(jīng)常出現(xiàn)各種各樣的建筑破損問題。因此，設(shè)計(jì)人員需要對(duì)建筑物的受力性能及其向下作用力進(jìn)行充分考慮，不斷優(yōu)化原本的設(shè)計(jì)方案，對(duì)超高層建筑存在的受力問題進(jìn)行處理，使建筑質(zhì)量得到保障。同時(shí)，需要準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)超高層建筑的承重墻及承重柱子，對(duì)平面設(shè)計(jì)圖的內(nèi)容進(jìn)行分析，確保建筑的承重分布合理，提高建筑自身的安全性。在分析超高層建筑結(jié)構(gòu)的時(shí)候，可以采用計(jì)算簡圖完成這一工作，選擇空間分析法對(duì)建筑整體進(jìn)行分析，還可以選擇不同的力學(xué)模型通過軟件對(duì)其進(jìn)行復(fù)核，使建筑物的受力性能問題得到切實(shí)解決。

3.7 提升剛度設(shè)計(jì)

在梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，布局階段應(yīng)遵循對(duì)稱性原則，保證底盤中心與塔樓高度相同，以提升結(jié)構(gòu)的剛度，避免結(jié)構(gòu)變形。在高層建筑施工中，只有增加底盤樓板的厚度，才能提升周邊鋼柱的剛度。另外，在設(shè)計(jì)梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)時(shí)，要結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)實(shí)際受力情況，通過借助計(jì)算機(jī)，運(yùn)用科學(xué)的計(jì)算方式，使設(shè)計(jì)方案更具合理性。在單塔設(shè)計(jì)、多塔設(shè)計(jì)時(shí)需掌握重點(diǎn)部分，保證結(jié)構(gòu)剛度與高層梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相符，充分發(fā)揮大底盤結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，使高層建筑結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

3.8 完善建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖紙

設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)多層建筑框架結(jié)構(gòu)時(shí)，有必要充分考慮工程施工中那些細(xì)枝末節(jié)的數(shù)據(jù)信息，在設(shè)計(jì)圖紙中明確的標(biāo)示清楚，不能為了方便而將某些信息省略掉。究其原因就在于：必須嚴(yán)格根據(jù)多層建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙開展建筑工程的施工操作，一旦出現(xiàn)某些數(shù)據(jù)信息不明確、不清晰的情況，就會(huì)直接影響整個(gè)工程。同時(shí)，在圖紙?jiān)O(shè)計(jì)過程中要求設(shè)計(jì)人員的工作態(tài)度必須嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真，不得馬虎將就，即便是已經(jīng)完工的設(shè)計(jì)圖紙也需要進(jìn)行反復(fù)的檢查與考證，以此才能獲得準(zhǔn)確的圖紙信息，且能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)其中的問題，及時(shí)地查漏補(bǔ)缺，從而可以為整個(gè)建筑工程的施工質(zhì)量提供充足的保障。

3.9 優(yōu)化短柱設(shè)計(jì)

短柱問題一旦發(fā)生在框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，受地震作用的影響，導(dǎo)致短柱出現(xiàn)脆性破壞的可能性比較大，這是由于隨著短柱抗剪承載力、變形能力的缺失，極易對(duì)建筑物的整體性造成很大的破壞，這也說明短柱問題在多層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中無法避免。關(guān)于短柱問題的處理，需要設(shè)計(jì)人員適當(dāng)?shù)脑黾又旧淼目辜舫休d力，這對(duì)于提升其變形能力至關(guān)重要；在加密處理箍筋時(shí)可以借助復(fù)合箍筋，將鋼筋縱向?qū)ΨQ的布置在短柱上，要求縱向配筋率必須控制在1.2%以內(nèi)，然后，結(jié)合實(shí)際情況來確定應(yīng)用具體采用哪種處理方式，諸如外包鋼板、X 形配筋等。除此之外，有必要強(qiáng)化抗震設(shè)計(jì)。（1）確定梁的高度。為保證多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與相關(guān)抗震要求相符，設(shè)計(jì)人員需要對(duì)梁的高度進(jìn)行充分考慮，如果一時(shí)不能將具體合理值確定下來，則最好選擇較大地值，防止造成梁剛度過小的情況。（2）確定梁端負(fù)彎矩取值。該負(fù)彎矩在豎向荷載的作用下一般比計(jì)算值要大，盡管可以增加鋼筋數(shù)量，但是，極易造成抗彎儲(chǔ)備過高的情況。為此，在具體計(jì)算過程中有必要選擇小的負(fù)彎矩鋼筋值，并松弛跨內(nèi)鋼筋。鑒于當(dāng)前設(shè)計(jì)隊(duì)伍的專業(yè)化水平較低，為進(jìn)一步提高工程建設(shè)質(zhì)量，就必須致力于其專業(yè)化水平的不斷提高。為此，有必要定期組織團(tuán)隊(duì)內(nèi)部人員開展崗位培訓(xùn)，在招聘團(tuán)隊(duì)成員時(shí)，需重視專業(yè)人才的引進(jìn)，同時(shí)，在實(shí)踐過程中加強(qiáng)訓(xùn)練。

3.10 建筑結(jié)構(gòu)防腐設(shè)計(jì)

建筑結(jié)構(gòu)防腐設(shè)計(jì)既是提高建筑結(jié)構(gòu)抗腐蝕能力的重要途徑，也是保證建筑結(jié)構(gòu)安全的一項(xiàng)關(guān)鍵措施。在施工過程中，工作人員需要嚴(yán)重控制建筑材料的質(zhì)量。在使用材料時(shí)，工作人員需要做好材料的保護(hù)工作，避免材料因運(yùn)輸不合理、儲(chǔ)存不當(dāng)而損壞。同時(shí)，工作人員需要做好房屋的防潮、防水工作，防止因滲漏問題而影響建筑的安全性和耐久性。針對(duì)有特殊要求的建筑，工作人員需要采取有效措施來減少或者消除這些危害，比如：可以采用非承重墻體加固的方式來保護(hù)墻體結(jié)構(gòu)；可以利用抗裂砂漿來增加保溫層的抗裂能力和提高保溫層表面強(qiáng)度。

結(jié)語：

帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑屬于復(fù)雜的高層建筑，但如若把握好設(shè)計(jì)要點(diǎn)復(fù)雜的高層建筑也將不再復(fù)雜，本文從梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)要點(diǎn)來闡述設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該注意的事項(xiàng)，以供設(shè)計(jì)從業(yè)人員實(shí)際工作中參考。