馬鑫 陸俊虎

前言

當(dāng)前，超限高層建筑已經(jīng)成為城市綜合實(shí)力的象征。因城市進(jìn)程不斷加快，城市人口不斷增多，城市可利用土地越發(fā)稀少，為此，建筑逐漸向空中發(fā)展，以此滿來足不斷增多的人口需求，因此，超限高層建筑逐漸成為城市建設(shè)重點(diǎn)[1]。在超限高層建筑設(shè)計(jì)中，因超限問題，工程結(jié)構(gòu)較普通建筑更復(fù)雜，對此，在工程設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員需要考慮各個(gè)方面，嚴(yán)謹(jǐn)分析結(jié)構(gòu)各部位受力情況，研究相關(guān)性能參數(shù)的選取問題，保障建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性、可靠性，為保證建筑工程的安全做充分的準(zhǔn)備。

1 主次梁轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的概念與特點(diǎn)

一般來講，主次梁轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)是超限高層建筑在使用功能上上下部結(jié)構(gòu)差異性較大，樓層上下部的結(jié)構(gòu)存在明顯差異，需通過梁進(jìn)行轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)，滿足上下層各自的使用功能。在主次梁轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)中，依照結(jié)構(gòu)功能的差異，可將其分為以下幾種類型：①上層與下層結(jié)構(gòu)構(gòu)件轉(zhuǎn)換。該類型轉(zhuǎn)換層多用于剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中，通過這種轉(zhuǎn)換，將上下部豎向構(gòu)件調(diào)整，以此創(chuàng)造一個(gè)較大的內(nèi)部空間。②轉(zhuǎn)換層上層與下層的構(gòu)件位置、軸線改變。該種模式的應(yīng)用，上下部結(jié)構(gòu)形式不變，但是，能夠擴(kuò)大下層柱間距，形成大柱網(wǎng)等。就是說，在上部樓層應(yīng)用此種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換模式，可以改變建筑工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件位置，將柱網(wǎng)軸線與上部樓層軸線錯(cuò)開。

在主次梁轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中，上部結(jié)構(gòu)的巨大豎向荷載，直接為轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件帶來較大應(yīng)力。對此，在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換構(gòu)件的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)重視豎向荷載帶來的應(yīng)力，以此保障工程整體質(zhì)量。通常情況下，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件的跨度大于上部結(jié)構(gòu)跨度的數(shù)倍，對此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)構(gòu)件的豎向撓度，保障工程設(shè)計(jì)的質(zhì)量，另外，在轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)施工中，連續(xù)施工的強(qiáng)度較大，且施工過程較為復(fù)雜、難度較大，對此，施工企業(yè)應(yīng)在前期加強(qiáng)培訓(xùn)，提高施工人員專業(yè)水平與素養(yǎng)，使其規(guī)范施工。另外，在超限高層建筑中，建筑結(jié)構(gòu)中設(shè)置了轉(zhuǎn)換層，影響了建筑工程的均勻性，力的傳遞的轉(zhuǎn)變，使得轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工程普通結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)存在差異。

2 主次梁轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的選型與結(jié)構(gòu)布置

2.1 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)

在超限高層建筑設(shè)計(jì)中，因轉(zhuǎn)換層對空間的需求，設(shè)計(jì)人員可直接采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。在建筑中層采用剪力墻結(jié)構(gòu)過渡，使高樓層的內(nèi)力傳遞至轉(zhuǎn)換層。因此，在超限高層主次梁轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，框架剪力墻結(jié)構(gòu)最為適當(dāng)。另外，在主次梁轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，若采用其他轉(zhuǎn)換形式，傳力路線質(zhì)量大，受力復(fù)雜，轉(zhuǎn)換層附近的構(gòu)件受到影響，應(yīng)力集中存在問題，并且，工程造價(jià)也會(huì)相應(yīng)增加。對此，在一般超限高層建筑設(shè)計(jì)中，多采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，在采用梁轉(zhuǎn)換過程中，多采用主次梁轉(zhuǎn)換。

2.2 轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在超限高層建筑中，采用主次梁轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)勢較多，如：在施工過程中，相對于其他結(jié)構(gòu)施工，施工過程明顯簡單、受力明確。在設(shè)計(jì)施工中，開設(shè)的洞口多是轉(zhuǎn)換梁受力最小部位，直接滿足了建筑工程管線布設(shè)，提高了建筑工程使用。另外，在轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)具體工程具體設(shè)計(jì)，有效保障工程的穩(wěn)定性，提高建筑工程的質(zhì)量與安全。

3 主次梁轉(zhuǎn)換在某超限高層工程建筑中的應(yīng)用概況

在某建筑工程中，預(yù)計(jì)總建筑面積為125458m2，其中，地上工程面積為112521m2，地下工程面積為12952m2。依照規(guī)劃局與開發(fā)商的共同要求，此次建筑工程以混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)為主，樓層高125m，超過建筑規(guī)定，塔樓立面為不規(guī)則曲面，凹凸不規(guī)則，建筑整體重心、形心偏移，在豎向荷載作用下，有傾覆趨勢。塔樓平面為花生形狀，核心筒為狹長形，長寬比為3.3：1，結(jié)構(gòu)X、Y方向的剛度相差較大，抗扭剛度不高。在此項(xiàng)工程建筑中，共包含了地下兩層與地上35層建筑，地下兩層主要為備用房與車庫，第一層是商場，二層、三層為辦公樓，第四層主要為會(huì)所，上層均為住宅層。為滿足底部四層的使用空間，1到4層采用V形斜柱，平面內(nèi)傾斜角為17°，四層之上采用正常建筑，對此，為提高工程整體質(zhì)量，在第四層設(shè)置主次梁轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。

4 工程結(jié)構(gòu)具體分析

在本次建筑工程中，主次梁轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)置在第四層，主次梁轉(zhuǎn)換層受力明確，施工簡單。主次梁轉(zhuǎn)換層高為5.7m，主次梁最大截面為1300m×2800mm，其中，轉(zhuǎn)換主梁截面為800mm×2500mm，轉(zhuǎn)換次梁截面為 600mm×2200mm，800mm×2200mm，轉(zhuǎn)換層板厚 200mmm，轉(zhuǎn)換層下層板厚度為150mm，轉(zhuǎn)換梁需要承擔(dān)上部剪力墻的力，混凝土等級要求較高，為 C45。

因本次建筑工程存在不規(guī)則扭轉(zhuǎn)、V型柱、高位轉(zhuǎn)換、樓層較高等超限情況，對工程進(jìn)行超限專項(xiàng)審查后，相關(guān)人員將工程抗震性能的目標(biāo)定位C級，并且，主次梁轉(zhuǎn)換層厚度應(yīng)達(dá)到工程規(guī)定厚度。在抗震設(shè)計(jì)中，地震加速度值0.1g，工程要求應(yīng)重現(xiàn)100年基本風(fēng)壓值，地面粗糙度至少達(dá)到B類，建筑體形系數(shù)應(yīng)達(dá)到1.4。在超限高層建筑設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員可利用PMSAP來分析梁板應(yīng)力，以此設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)自振周期、剪重比等相關(guān)參數(shù)。

在高層建筑施工中，下部樓層的側(cè)向剛度應(yīng)大于上部樓層，否則，下部樓層將出現(xiàn)變形，并形成薄弱層，為工程帶來隱患，為避免該類型隱患出現(xiàn)，國家在《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中明確規(guī)定，下部樓層的側(cè)向剛度不小于上部樓層的70%，或者下部樓層的側(cè)向剛度不小于其上相鄰三層樓層間側(cè)向剛度的80%。在本案例工程的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)注意，四樓轉(zhuǎn)換層上一層的剪力墻厚度至在200～300mm之間，混凝土強(qiáng)度等級達(dá)到C40；對于主次梁轉(zhuǎn)換層及以下工程結(jié)構(gòu)，剪力墻的厚度應(yīng)高于700mm，混凝土等級應(yīng)達(dá)到C60，才能保障工程整體質(zhì)量與壽命。

另外，《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中明文規(guī)定，當(dāng)?shù)撞靠臻g層數(shù)大于1層時(shí)，轉(zhuǎn)換層上下部結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度（e）比宜接近于1，非抗震時(shí)期，e≤2，抗震時(shí)期，e≤1.25。在該項(xiàng)工程建設(shè)中，主次梁轉(zhuǎn)換層與上部結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比e在X方向?yàn)?.9031，Y向的e為0.9124，符合《高規(guī)》中規(guī)定。

5 超限高層建筑主次梁轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題

在本次工程的轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員嚴(yán)格遵守我國在抗震設(shè)計(jì)中的法律規(guī)范，針對性設(shè)計(jì)，保障工程質(zhì)量。在主次梁轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)嚴(yán)格遵循以下抗震措施。

（1）設(shè)計(jì)人員應(yīng)保障，大空間層需求的裙房達(dá)到足夠剛度。并且，為避免工程出現(xiàn)薄弱層，設(shè)計(jì)人員應(yīng)嚴(yán)格控制四層轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)間的側(cè)向剛度。在抗震設(shè)計(jì)中，V型柱是工程結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件，依照性能化目標(biāo)，進(jìn)行中震彈性設(shè)計(jì)，中震組合下，柱頂最大應(yīng)力比0.81，柱底應(yīng)力比為0.58。在箱形截面內(nèi)灌注混凝土，能夠有效降低V型柱的軸壓應(yīng)力。嚴(yán)格依照《高規(guī)》中相關(guān)規(guī)定，保障本次建筑中的轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)的e在1.0左右。

（2）提高主次梁轉(zhuǎn)換層整體結(jié)構(gòu)的剛度。在超限高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)換層的整體結(jié)構(gòu)必須符合設(shè)計(jì)規(guī)范，強(qiáng)化轉(zhuǎn)換層平面樓板的側(cè)向剛度，提高轉(zhuǎn)換層整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。在本次工程轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)中，為保障工程質(zhì)量，應(yīng)加強(qiáng)轉(zhuǎn)換層上下兩層結(jié)構(gòu)的平面內(nèi)剛度，結(jié)構(gòu)布置應(yīng)左右對稱，在薄弱位置加強(qiáng)配筋與厚度。并且，設(shè)計(jì)人員應(yīng)通過工程經(jīng)驗(yàn)、計(jì)算等方式，積極了解轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)中的薄弱處，通過增加厚度、配筋等形式，提高工程整體質(zhì)量。

（3）控制主次梁節(jié)點(diǎn)，保障整體建筑的穩(wěn)定性。在工程建筑設(shè)計(jì)中，為保障工程抗震能力達(dá)到項(xiàng)目要求，應(yīng)合理設(shè)計(jì)主次梁的節(jié)點(diǎn)，提高工程整體質(zhì)量。通過計(jì)算，明確相應(yīng)抗震等級地震作用及風(fēng)荷載下的位移及周期要求，以此設(shè)計(jì)主次梁節(jié)點(diǎn)，提高建筑工程的抗震能力，控制轉(zhuǎn)換層下部與上部間的側(cè)向剛度，控制剪力墻的質(zhì)量，提高工程整體性。

（4）控制主次梁強(qiáng)度。依照工程建設(shè)部門相關(guān)規(guī)范，設(shè)計(jì)主次梁的配筋率，提高主次梁轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的抗傾覆性。同時(shí)，為提高主次梁的整體強(qiáng)度，提高配筋率的同時(shí)，選擇C45的混凝土。

6 總結(jié)

在我國進(jìn)入21世紀(jì)之后，我國建筑行業(yè)進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期，超限高層建筑在我國城市建設(shè)逐漸增多，并成為城市標(biāo)志建筑物，為保障高層建筑的抗震性、功能、質(zhì)量與壽命等，主次梁結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層得到廣泛應(yīng)用。在超限高層建筑中的主次梁轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，不僅要重視主次梁結(jié)構(gòu)的選型、布置，還應(yīng)嚴(yán)格依照設(shè)計(jì)規(guī)范，控制主次梁的配筋率、節(jié)點(diǎn)等，提高提高主次梁轉(zhuǎn)換層整體結(jié)構(gòu)的剛度，使超限高層建筑的穩(wěn)定性達(dá)到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。