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

1、高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要：本文針對高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)問題進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：高層建筑結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)換層；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，人們對高層建筑的功能要求趨向于多樣化、 綜合化和全面化。較為常見的形式是上部為小開間的民用住宅，下部為大開間 的商場或公共娛樂場所。從建筑功能上看，高層建筑上部需要較多的墻體來分 隔空間以滿足住宅戶型的需要；而下部則希望有較大的自由靈活空間，大柱網(wǎng)、 少墻體，以滿足公共使用要求。然而，按照這樣的建筑形式進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置時(shí)， 上部墻體多而密，下部柱網(wǎng)少而稀，即剛度上大下小。這與常規(guī)的結(jié)構(gòu)豎向布 置的原則正好是相反的。為了滿足建筑要求就必須在上下不同

2、結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換的 樓層設(shè)置轉(zhuǎn)換層。于是，帶轉(zhuǎn)換層的建筑結(jié)構(gòu)孕育而生，并在近年來得到較為 廣泛的應(yīng)用。一、轉(zhuǎn)換層概述由于高層建筑下部結(jié)構(gòu)受力較大，上部結(jié)構(gòu)受力較小，這與常規(guī)的結(jié)構(gòu)豎向布 置的原則正好是相反的。為了滿足建筑多功能的要求，就必須在結(jié)構(gòu)中設(shè)置轉(zhuǎn) 換結(jié)構(gòu)構(gòu)件，以實(shí)現(xiàn)自上而下結(jié)構(gòu)形式，軸線布置的自然過渡。轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件 所在的樓層就是轉(zhuǎn)換層。按轉(zhuǎn)換層所實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換可分為三類：上、下層柱網(wǎng)、軸線改變：轉(zhuǎn)換層上、 下結(jié)構(gòu)形式?jīng)]有改變，但是通過轉(zhuǎn)換層使下層的柱距擴(kuò)大，形成大柱網(wǎng)。常用 于外框簡的下層，形成較大的入口；上、下層結(jié)構(gòu)類型的轉(zhuǎn)換：這種轉(zhuǎn)換層廣 泛應(yīng)用于上部為剪力墻結(jié)構(gòu)和框架剪力墻結(jié)構(gòu)，它

3、將上部剪力墻轉(zhuǎn)化為下部的 框架，以創(chuàng)造一個(gè)較大的內(nèi)部自由空間。轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)軸線位置：即上 部樓層剪力墻結(jié)構(gòu)通過轉(zhuǎn)換層軸線錯(cuò)開，形成上、下結(jié)構(gòu)不對齊的布置。實(shí)際工程應(yīng)用中轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)形式有多種多樣，轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)形式主要有梁式、 柑架式、空腹析架式、箱式和板式。從上部墻體形式上，可分為滿跨和不滿跨、 開洞和不開洞、開門洞和開窗洞：從跨數(shù)上，可分為單跨、雙跨及多跨；從轉(zhuǎn) 換梁功能上，可分為托墻和托柱：從轉(zhuǎn)換梁形式上，可分為加腋和不加腋：從 轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)采用材料上，可分為鋼筋混凝土和鋼骨混凝土、鋼結(jié)構(gòu)等。二、轉(zhuǎn)換層的主要結(jié)構(gòu)形式和特點(diǎn)各種形式轉(zhuǎn)換層由于結(jié)構(gòu)形式差別較大，其傳力性能和抗震性能等存在明

4、顯差 異。梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)傳力直接、明確，傳力途徑清楚，結(jié)構(gòu)計(jì)算相對容易。受力 性能好、工作可靠、構(gòu)造簡單、施工方便，但是當(dāng)轉(zhuǎn)換梁跨度較大時(shí)，要求轉(zhuǎn) 換梁截面也較大，其質(zhì)量和抗側(cè)剛度也相應(yīng)較大，因而地震反應(yīng)較大。板式轉(zhuǎn) 換結(jié)構(gòu)一方面使得上部結(jié)構(gòu)布置方便，另一方面使得傳力不清楚，受力復(fù)雜， 結(jié)構(gòu)計(jì)算相對困難，并且厚板集中了很大的剛度和質(zhì)量，地震反應(yīng)強(qiáng)烈。析架 式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)具有傳力明確，傳力途徑清楚的特點(diǎn)，轉(zhuǎn)換析架不僅使開洞與設(shè)置 管道方便，而且他們的位置和大小具有很大的靈活性，使充分利用轉(zhuǎn)換層的空 間成為可能。析架式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)抗側(cè)力剛度和自重比轉(zhuǎn)換梁小，使得帶析架式轉(zhuǎn)換層高層建筑的質(zhì)量和剛度突變相對緩和

5、，地震反應(yīng)比帶轉(zhuǎn)換梁的高層小很多。箱形轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)是由單向托梁、雙向托梁連同上下層較厚的樓板共同作用形成，其側(cè)向剛度很大，較少用于房屋結(jié)構(gòu)工程。三、梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)遵循原則帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)是一種：受力復(fù)雜、不利于抗震的結(jié)構(gòu)體系，在結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)時(shí)，特別是在抗震設(shè)防地區(qū)，應(yīng)遵循的如下原則：3.1傳力直接，避免多次轉(zhuǎn)換布置轉(zhuǎn)換層上下主體豎向結(jié)構(gòu)時(shí)，要盡量使水平轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)傳力直接，通過 結(jié)構(gòu)的合理布置，使不落地的剪力墻通過轉(zhuǎn)換托梁直接傳給豎向承重構(gòu)件，盡 可能的避免轉(zhuǎn)換次粱及水平多級轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)傳力路徑的最短化。2強(qiáng)化下部、弱化上部要保證底部：趕空間有適宜的剛度、強(qiáng)度、延性和抗震能力，要有意識的 強(qiáng)化

6、轉(zhuǎn)換層下部主體結(jié)構(gòu)剛度，弱化轉(zhuǎn)換層上部主體結(jié)構(gòu)的剛度，使得轉(zhuǎn)換層 上下部主體結(jié)構(gòu)的剛度及變形特征盡量接近，以避免出現(xiàn)薄弱層。3計(jì)算全面準(zhǔn)確必須將轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)作為整體結(jié)構(gòu)中一個(gè)重要組成部分，采用符合實(shí)際受力變 形狀態(tài)的正確計(jì)算模型進(jìn)行三維空間整體結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。采用有限元方法對轉(zhuǎn) 換結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部補(bǔ)充計(jì)算時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)以上至少取2層結(jié)構(gòu)進(jìn)入局部計(jì)算模型, 同時(shí)應(yīng)計(jì)及轉(zhuǎn)換層及所有樓層樓蓋平面內(nèi)剛度，計(jì)及實(shí)際結(jié)構(gòu)三維空間盒子效 應(yīng)，采用比較符合實(shí)際邊界條件的正確計(jì)算模型。四、梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)4.1轉(zhuǎn)換粱的截面設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計(jì)方法的選擇與其受力性能和轉(zhuǎn)換層的形式相關(guān)。托柱形 式轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計(jì)。當(dāng)轉(zhuǎn)

7、換梁承托上部普通框架時(shí)，在轉(zhuǎn)換梁常用截面尺寸范 圍內(nèi)，轉(zhuǎn)換梁的受力基本和普通梁相同，可按普通梁截面設(shè)計(jì)方法進(jìn)行配筋計(jì) 算。當(dāng)轉(zhuǎn)換粱承托上部斜桿框架時(shí)，轉(zhuǎn)換梁將承受軸向拉力，此時(shí)應(yīng)按偏心受 拉構(gòu)件進(jìn)行截面設(shè)計(jì)。托墻形式轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計(jì)。當(dāng)轉(zhuǎn)換梁承托上部墻體滿 跨不開洞時(shí)，轉(zhuǎn)換梁與上部墻體共同工作，其受力特征與破壞形態(tài)表現(xiàn)為深梁, 此時(shí)轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計(jì)方法宜采用深梁截面設(shè)計(jì)方法或應(yīng)力截面設(shè)計(jì)方法，且計(jì) 算出的縱向鋼筋應(yīng)沿全梁高適當(dāng)分布配置。2轉(zhuǎn)換粱的設(shè)計(jì)與構(gòu)造要求轉(zhuǎn)換梁的截面尺寸一般宜由剪壓比計(jì)算確定，以避免脆性破壞和具有合 適的含箍率。轉(zhuǎn)換梁不宜開洞，若需要開洞，洞口宜位于梁中和軸附近。洞 口上、下

8、弦桿必須采取加強(qiáng)措施，箍筋要加密，以增強(qiáng)其抗剪能力。上、下弦 桿箍筋計(jì)算時(shí)宜將剪力設(shè)計(jì)值乘放大系數(shù)1.2。當(dāng)洞口內(nèi)力較大時(shí)，可采用型鋼 構(gòu)件來加強(qiáng)。轉(zhuǎn)換梁的混凝土強(qiáng)度等級不應(yīng)低于C30。轉(zhuǎn)換梁上、下主筋的最 小配筋率非抗震設(shè)計(jì)時(shí)為0.3%,抗震設(shè)計(jì)時(shí)，一、二、三和四級抗震等級分別 為0.5%、0.4%、0.35%和0.35%。轉(zhuǎn)換梁中主筋（縱向鋼筋）不宜有接頭；有 接頭時(shí)，宜采用機(jī)械連接，且同一截面內(nèi)鋼筋接頭面積不應(yīng)超過全部主筋截面 面積50%,接頭位置尚應(yīng)避開上部剪力墻開洞部位、梁上托柱部位及受力較大 部位。轉(zhuǎn)換梁上部主筋至少應(yīng)有50%沿梁全長貫通，下部主筋應(yīng)全部貫通伸人 柱內(nèi)。3上部框架設(shè)

9、計(jì)和構(gòu)造要求上部框架上轉(zhuǎn)換梁共同工作，可視作一個(gè)層層受樓板約束、受相連梁空 間約束的巨型平面空腹析架。設(shè)計(jì)時(shí)可以加大轉(zhuǎn)換梁上面幾層框架粱的剛度， 以達(dá)到共同承受上部荷載和起到二道設(shè)防的作用，同時(shí)由一層梁承托變成層層 梁承托上部框架柱的工作機(jī)制。轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)上部框架須按強(qiáng)柱弱梁的原則進(jìn)行 設(shè)計(jì)，確保塑性較在梁端出現(xiàn)，使柱比梁有更大的安全儲備。轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的 試驗(yàn)研究表明，與轉(zhuǎn)換梁相連的柱子往往是薄弱環(huán)節(jié)；轉(zhuǎn)換梁上層框架梁柱受 力復(fù)雜，應(yīng)力集中，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際受力情況進(jìn)行較準(zhǔn)確施工模擬計(jì)算分析。 上部框架柱縱向鋼筋最小配筋率為：抗震等級一級時(shí)不宜小于1.0%,抗震 等級二級時(shí)不宜小于0.8%,抗震等級三級時(shí)不宜小于0.7%,抗震等級四級、 非抗震設(shè)計(jì)時(shí)不宜小于0. 6%,且鋼筋間距不宜大于200mm,不宜小于80mm。五、結(jié)語在現(xiàn)代高層建筑的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)中，因其應(yīng)用功能的多樣化而使建筑物結(jié)構(gòu) 傳力體系復(fù)雜化，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按規(guī)范要求并根據(jù)現(xiàn)場條件救呼分忻計(jì)算和 優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡可能將影響建筑物使用功能的諸多因素考慮進(jìn)去，以達(dá)到科學(xué)經(jīng) 濟(jì)的設(shè)計(jì)目的。參考文獻(xiàn)1唐軍德.高層