閔姍

（武漢三葉建筑設(shè)計(jì)有限公司　湖北　武漢　430000）

探究梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在高層建筑工程中的應(yīng)用

閔姍

（武漢三葉建筑設(shè)計(jì)有限公司湖北武漢430000）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高層建筑層出不群，而且越建越高、體型越來越復(fù)雜多變、功能也越趨于多樣化，帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑就是其中的典型代表。梁式轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到高層建筑的穩(wěn)定性，高層建筑必須明確梁式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，才可滿足高層建筑的需求，避免產(chǎn)生不利點(diǎn)，可見在高層建筑設(shè)計(jì)中梁式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是尤為重要的。本文通過對(duì)高層建筑工程中梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究，探討其在高層施工中的重要應(yīng)用。

高層建筑工程；梁式轉(zhuǎn)換層；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；應(yīng)用

1　引言

隨著現(xiàn)代化城市的建設(shè)，越來越多的高層建筑向著多功能化、工程高技化、功能生態(tài)化的方向發(fā)展，由于要滿足建筑物各個(gè)部分不同的使用功能和要求，對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)形式和布置也就提出了不同的要求。因此，為了能夠更好的實(shí)現(xiàn)不同功能的轉(zhuǎn)換，需要在建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中設(shè)置轉(zhuǎn)換層。目前，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用最廣泛的就是設(shè)計(jì)、計(jì)算以及施工都比較簡(jiǎn)單的梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。一方面，梁式轉(zhuǎn)換具有傳力路徑清晰快捷，工作可靠，構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工方便等優(yōu)點(diǎn)，是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)型式；另一方面，梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)促使建筑工程合理應(yīng)用高層建筑的空間結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)高層建筑靈活的設(shè)計(jì)方式，而且有利于均衡受力，推進(jìn)高層建筑安全、穩(wěn)定的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)高層建筑的多功能化，滿足人們的生活需求。例如在建筑的下部為餐館、商場(chǎng)等、中部為辦公樓、上部為住宅樓，從而超越了傳統(tǒng)建筑使用功能的單一性。而在工程設(shè)計(jì)和實(shí)際施工中，梁式轉(zhuǎn)換層常兼作設(shè)備層，轉(zhuǎn)換梁腹部要開設(shè)洞口以便設(shè)備管道的通過，得到了廣泛的采用和認(rèn)可，它可以較好地解決高層建筑中上下部結(jié)構(gòu)縱向不連續(xù)的問題。

2　梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式和受力機(jī)理分析

2.1梁式結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式

據(jù)我們所知，在高層建筑的結(jié)構(gòu)中，一般結(jié)構(gòu)下部的受力比結(jié)構(gòu)上部的受力要大，正常來說，進(jìn)行高層建筑設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該采用下部結(jié)構(gòu)增加墻體和柱網(wǎng)，上部結(jié)構(gòu)減少墻體和柱網(wǎng)的形式來讓高層建筑物下部結(jié)構(gòu)的剛度大于上部結(jié)構(gòu)的剛度，而這卻不符合現(xiàn)實(shí)中的建筑情況，在現(xiàn)實(shí)生活中，下部空間比較大，上部空間比較小更符合建筑物的使用功能，這就需要我們尋找新的設(shè)計(jì)方法。梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)也被稱為是梁式框支剪力墻結(jié)構(gòu)，它是利用下部的轉(zhuǎn)換大梁，將上部剪力墻落在框支梁上，再由框支柱支撐框支梁，形成一種獨(dú)特的支撐體系，達(dá)到轉(zhuǎn)換建筑功能結(jié)構(gòu)的目的。由于現(xiàn)代的高層建筑豎向結(jié)構(gòu)自上而下是逐漸減少的，所以在此豎向結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變處，必須設(shè)置轉(zhuǎn)換構(gòu)件，設(shè)置轉(zhuǎn)換的樓層就稱為轉(zhuǎn)換層，這種建筑的特點(diǎn)就是沿建筑豎向使用空間逐漸變小，這與傳統(tǒng)建筑的構(gòu)造要求不同。轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的常用形式有梁式、箱型、桁架式、厚板式以及搭接柱式轉(zhuǎn)換層等。由于梁式轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)和施工均較為簡(jiǎn)單，傳力直接、明確，計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單，施工簡(jiǎn)易，并且還有良好的經(jīng)濟(jì)效果，因此是目前建筑工程中應(yīng)用最為廣泛的，其中梁式轉(zhuǎn)換層的建筑約占75%。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，可以根據(jù)建筑物轉(zhuǎn)換功能的具體要求以及梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)根據(jù)，將轉(zhuǎn)換層分為如圖1所示的幾種不同結(jié)構(gòu)形式。

圖1　梁式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)形式

《鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》中為了保證轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)的可靠性和整體的剛度，對(duì)于梁最小高度和最小寬度的轉(zhuǎn)換進(jìn)行了一些限制，其中規(guī)定框支梁的截面寬度不應(yīng)該比相應(yīng)方向上所對(duì)應(yīng)的框支柱的寬度大，不應(yīng)該比兩倍的上部墻體截面厚度或400mm小，如果梁上邊需要托柱，那么框支梁的截面寬度還應(yīng)該比梁寬方向的柱的截面大。需要進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換梁的梁高應(yīng)該大于等于梁跨度的1/6，對(duì)于不需要進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的也要大于等于跨度的1/8。

2.2梁式結(jié)構(gòu)受力機(jī)理分析

墻-梁-柱或墻-梁-墻為梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的傳力路徑，這樣的傳力途徑有著傳力直接、計(jì)算方便的優(yōu)點(diǎn)。剪力墻與轉(zhuǎn)換大梁的相對(duì)剛度、轉(zhuǎn)換大梁與下部支撐的相對(duì)剛度、上部剪力墻的剛度都對(duì)轉(zhuǎn)換梁的受力有著非常大的影響。據(jù)我們所知，對(duì)于跨度小于12m的一般結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換梁來說，進(jìn)行上部墻體的分析時(shí)，不管是考慮三層、四層還是五層，對(duì)于設(shè)計(jì)內(nèi)力的差異也不會(huì)超過5%，所以我們只采用三層進(jìn)行分析計(jì)算就可以了。只要是具有一定長(zhǎng)度的墻體，不管轉(zhuǎn)換大梁上部墻體是什么樣的形式，在進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，相應(yīng)的彎矩肯定會(huì)比沒有上部墻體的小，而且由于上部墻體的傳力，轉(zhuǎn)換大梁的跨中也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的拉力。

3　梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在高層建筑工程中的應(yīng)用

高層建筑中梁式轉(zhuǎn)換層的設(shè)置造成建筑物豎向剛度的突變，由框支主梁承托轉(zhuǎn)換次梁及次梁上的剪刀墻，其傳力途徑多次轉(zhuǎn)換，受力復(fù)雜。因此在進(jìn)行高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)的時(shí)應(yīng)該做到具體分析。

3.1設(shè)計(jì)案例

本工程為武漢某商住合一的高層建筑，建筑高度為46.7m，地上部分15層，一、二層為商業(yè)用房，三至十五層為住宅，地下室層高4.5m，二層商業(yè)用房部分為底層層高4.5m，二層層高4.5m，住宅部分層高為2.9m。由于不同的用途需要不同的空間組合形式，因此除了主體中間部分布置成落地剪力墻核心筒，其他部分均不能采用一種結(jié)構(gòu)體系。必須在二層頂采用結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的方法過渡為另一種結(jié)構(gòu)形式。

本工程所處地區(qū)地震設(shè)防烈度為Ⅵ度，結(jié)構(gòu)底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻抗震等級(jí)為二級(jí)，非底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻抗震等級(jí)為三級(jí)，框支框架抗震等級(jí)為二級(jí)。

3.2普通梁的截面設(shè)計(jì)

在實(shí)際工程中，普通梁截面可以直接按照像TBSATAT等高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算分析程序在算出轉(zhuǎn)換量的內(nèi)力結(jié)果之后進(jìn)行直接計(jì)算。

3.3偏心受拉構(gòu)件的設(shè)計(jì)

對(duì)于偏心受拉構(gòu)件可根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》和混凝土結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定對(duì)偏心受壓構(gòu)件的框架梁計(jì)算進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算。

3.4對(duì)于深梁截面的設(shè)計(jì)

在當(dāng)今的建筑工程中，轉(zhuǎn)換梁的高跨比為在普通梁和深梁之間為h/l=1/8～1/6的梁，其中不管是在受力上還是在破壞形態(tài)上更為接近于深梁的要為框架轉(zhuǎn)換梁?？蚣苻D(zhuǎn)換梁在上部墻體滿跨或者是基本滿跨的時(shí)候，上部墻體會(huì)和框架轉(zhuǎn)換梁一同參與工作，此時(shí)的受力特點(diǎn)就會(huì)更接近于倒T型的深梁。此時(shí)框架轉(zhuǎn)換梁的跨中受軸向拉力作用，不能按照普通梁那樣計(jì)算，因?yàn)榉乐箍v筋配筋量偏少，降低承載力也不能按照偏心受拉構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算，只能按照深梁進(jìn)行計(jì)算。

3.5對(duì)于應(yīng)力截面的設(shè)計(jì)

在實(shí)際工程中用應(yīng)力和應(yīng)力分布規(guī)律直接進(jìn)行截面配筋計(jì)算會(huì)方便很多，但是必須先進(jìn)行相應(yīng)的假設(shè)：①假設(shè)混凝土沒有抗拉作用，只有鋼筋承擔(dān)拉力。②鋼筋強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到其抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，混凝土的抗壓強(qiáng)度已達(dá)到軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

3.6關(guān)于轉(zhuǎn)換梁截面的設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)換梁截面的設(shè)計(jì)包括托柱形式轉(zhuǎn)換梁設(shè)計(jì)和托墻形式轉(zhuǎn)換梁設(shè)計(jì)。①對(duì)于托柱式轉(zhuǎn)換梁要根據(jù)上部結(jié)構(gòu)的不同進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)，像上部為普通框架的轉(zhuǎn)換梁，一般情況下會(huì)按照與其受力相似的普通梁計(jì)算，而上部為斜桿框架時(shí)，就按與其受力相似的偏心受拉構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算。②對(duì)于托墻式轉(zhuǎn)換梁截面也要根據(jù)上部墻體的不同進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)，像上部為滿跨且不開洞的墻體時(shí)，應(yīng)該按照與其受力相似的深梁截面設(shè)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果沿著全梁高度適度配置鋼筋，且底部鋼筋應(yīng)該全部深入支座而不應(yīng)有截?cái)嗷蛲黄?。如果上部為小墻肢時(shí)，可以按照普通梁的截面設(shè)計(jì)方法進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算。鋼筋的布置也可按照普通梁進(jìn)行。

3.7關(guān)于框支柱的的設(shè)計(jì)

一般情況下，施工中會(huì)按照框支柱的軸壓比進(jìn)行框架截面尺寸的確定。而需要考慮地震問題的情況需要乘以放大系數(shù)以作出相應(yīng)的調(diào)整后再進(jìn)行配筋。進(jìn)行地震組合設(shè)計(jì)時(shí)，一級(jí)框架支柱乘以1.5的放大系數(shù)，二級(jí)的乘以1.25。對(duì)于進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的剪力值也有相關(guān)的規(guī)定，兩層或兩層以下的框支層，十根以下的框架柱，所取的剪力值每根不可少于基底剪力的2%，十根以上時(shí)不可少于基底剪力的20%。三層或者三層以上，十根以下框支柱時(shí)，不可少與基底剪力的3%，十根以上時(shí)，不可少與基底剪力的30%。需要注意的是，對(duì)于地震作用下的內(nèi)力，只進(jìn)行彎矩和剪力的調(diào)整，軸力不作調(diào)整。

3.8轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

底部帶轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層上部的部分豎向構(gòu)件不能直接連續(xù)貫通落地，因此，必須設(shè)置安全可靠的轉(zhuǎn)換構(gòu)件，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)布置平面如圖2所示。

圖2　轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)布置圖

4　結(jié)語

目前，在城市建筑飛速發(fā)展的過程中，高層建筑數(shù)量越來越多，其中還有很大一部分是屬于多功能高層建筑，這些建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同功能區(qū)對(duì)建筑空間的需求也不一樣，轉(zhuǎn)換層的出現(xiàn)使現(xiàn)代的高層建筑能夠?qū)崿F(xiàn)多樣化。而且，在高層建筑轉(zhuǎn)化層的設(shè)計(jì)過程中，梁式轉(zhuǎn)換層的應(yīng)用是最為廣泛的，通過其轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化建筑更多的功能化需求，推動(dòng)建筑的迅速發(fā)展。

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2015-5-20