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

郭勛

【摘要】我國建筑業(yè)的發(fā)展趨向高層化和超高層化建筑類型，這樣才能在有限的土地資源上解決我國眾多人口的安居問題。而高層結(jié)構(gòu)建筑中轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必不可少，其中梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)傳力明確、經(jīng)濟(jì)可靠、施工方便，在高層建筑的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用的最為普遍。本文在此基礎(chǔ)上簡要的探討一下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一些實(shí)用設(shè)計(jì)方法。

【關(guān)鍵詞】建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；梁式轉(zhuǎn)換層；高層建筑；實(shí)用設(shè)計(jì)方法

1.前言

現(xiàn)如今的建筑行業(yè)發(fā)展趨向于高層建筑或超高層建筑，建筑向著體型復(fù)雜、功能多樣的高層綜合性方向發(fā)展。因?yàn)槭歉邔咏ㄖ瑥慕Y(jié)構(gòu)角度而言，過高的結(jié)構(gòu)布置很容易造成豎向抗側(cè)力構(gòu)件的不連續(xù)、樓層側(cè)向剛度及樓層受剪承載力的突變，這些是高層建筑帶來的技術(shù)困難。同時(shí)對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的豎向體系而言，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)更高，底部承壓受力更大，這樣就需要高層建筑下部剛度強(qiáng)度更大，墻體設(shè)置更多，柱網(wǎng)設(shè)置更密集，但是這樣的設(shè)置就會(huì)造成對(duì)高層建筑底層建筑的內(nèi)部空間進(jìn)行收縮和限制，就不能很好的滿足高層建筑對(duì)空間的需求了。這就需要結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層來實(shí)現(xiàn)高層建筑功能需求不產(chǎn)生重大改變，在高層建筑中設(shè)計(jì)安裝轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，既可以保證高層建筑底部具有較大的室內(nèi)空間和出入口，還可以實(shí)現(xiàn)上下層結(jié)構(gòu)類型的轉(zhuǎn)換，上下層柱網(wǎng)、軸線的改變，這樣高層建筑既滿足了高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)節(jié)約土地空間的要求又不會(huì)影響高層建筑的具體建筑功能，可以說轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)層具有非常重要的意義。

2.梁式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)

轉(zhuǎn)換層的主要結(jié)構(gòu)形式有：梁柱體系、桁架體系（空腹桁架、斜桿桁架、混合桁架）、墻梁體系等。有常規(guī)的平面體系也有剛度很大的空間體系，但是目前高層建筑中使用最多的就是梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)具有傳力明確、經(jīng)濟(jì)可靠、施工方便等特點(diǎn)，而且轉(zhuǎn)換梁可沿縱向或橫向平行布置。梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)使用一定要特別注意以下四點(diǎn)：一，豎向的受力和荷載因素成為控制梁式轉(zhuǎn)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)的主要影響因素；二，梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)構(gòu)件的豎向撓度測算指標(biāo)參數(shù)一定嚴(yán)格控制；三，梁式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的施工強(qiáng)度很大，施工過程也相對(duì)十分復(fù)雜；四，梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度因?yàn)橥蛔兒蛡髁ν緩阶兓荒茈S意改裝和換取構(gòu)件。下圖是梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的常用形式：

3.梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)受力機(jī)理分析

梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的傳力途徑是由墻到梁再到柱墻的形式，傳力過程是相對(duì)簡單直接的，而且這樣的一線式傳力非常便于計(jì)算。梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換大梁主要承受的是位于靠上位置的剪力墻帶來的剛度壓力、同時(shí)還要受到轉(zhuǎn)換大梁與下部支撐結(jié)構(gòu)的一些剪力剛度的影響。對(duì)一般結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換大梁（跨度小于12m），上部墻體考慮三層與考慮4層、5層內(nèi)力的設(shè)計(jì)控制內(nèi)力差異不大于5%，故在分析計(jì)算時(shí)可只考慮計(jì)算3層。從計(jì)算分析不論轉(zhuǎn)換大梁上部墻體的形式如何，只要墻體有一定長度，轉(zhuǎn)換大梁中的彎矩就會(huì)比不考慮上部墻體作用要小，同時(shí)轉(zhuǎn)換大梁也會(huì)有一段范圍出現(xiàn)受拉區(qū)。主要原因：一，由于轉(zhuǎn)換大梁處于結(jié)構(gòu)整體彎曲的受拉區(qū)，應(yīng)力積分后在轉(zhuǎn)換大梁中就會(huì)出現(xiàn)軸向拉力；二，由于上部墻體豎向力作用于轉(zhuǎn)換大梁時(shí)形成了拱的傳力方式，這樣豎向力轉(zhuǎn)變成斜向力作用于轉(zhuǎn)換大梁，從而在轉(zhuǎn)換大梁跨中出現(xiàn)拉力，支座出現(xiàn)軸向壓力的情況。

4.梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

4.1 計(jì)算分析

梁轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算方法主要有梁桿系模型計(jì)算分析法和有限元模型計(jì)算分析所謂桿系模型即直接用三維空間分析程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力整體分析，求得轉(zhuǎn)換梁的內(nèi)力作為設(shè)計(jì)依據(jù)，轉(zhuǎn)換梁一般按梁桿模型處理，而不考慮轉(zhuǎn)換梁與上部墻體的共同工作。當(dāng)轉(zhuǎn)換梁截面高度等于或大于層高時(shí)，計(jì)算時(shí)轉(zhuǎn)換梁的位置取在其上皮標(biāo)高處，下層層高取兩層層高之和。關(guān)于荷載的取用原則，對(duì)豎向荷載：計(jì)算簡圖頂部墻體上的豎向荷載取該層上部豎向荷載的累計(jì)值，其余各層的豎向荷載采用各自層的豎向荷載。對(duì)水平荷載：計(jì)算簡圖頂部墻體上的剪力作為該層的水平節(jié)點(diǎn)荷載，該層墻體的彎矩M換算成三角形分布的豎向荷載作用于計(jì)算簡圖頂部墻體上；其余各層則作用相應(yīng)的水平節(jié)點(diǎn)荷載，其數(shù)值分別取本層墻體剪力與上層墻體剪力的差值，具體見下圖：

4.2 截面設(shè)計(jì)

目前梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中截面設(shè)計(jì)最常用的方法是偏心受拉法，這種方法其實(shí)是將有限元分析得到的截面應(yīng)力通過有效的換算變成截面內(nèi)力再進(jìn)行截面的設(shè)計(jì)和進(jìn)一步計(jì)算的，通過偏心受拉法計(jì)算設(shè)計(jì)的梁式轉(zhuǎn)換層截面具有更好的拉伸力和承壓剪力。其中截面應(yīng)力的分布規(guī)律如下圖所示：

4.3 轉(zhuǎn)換梁柱的設(shè)計(jì)

梁式轉(zhuǎn)換層的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很重要的一個(gè)構(gòu)件設(shè)計(jì)就是轉(zhuǎn)換梁柱的設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)換層的梁和柱是梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)傳下來的豎向荷載的重要組成構(gòu)件，又或者我們可以將轉(zhuǎn)換梁柱理解成是對(duì)轉(zhuǎn)換層建筑結(jié)構(gòu)位于上方剪力墻壓力的一種承重構(gòu)件，在整個(gè)梁式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)中承受了比較大的力度和剛度；轉(zhuǎn)換梁柱還有一個(gè)重要作用就是可以將高層建筑結(jié)構(gòu)高層位置的的水平方向剪力傳遞給低層位置的抗剪結(jié)構(gòu)，這樣就能緩解高層結(jié)構(gòu)的一部分承壓受力，雖然這樣底部所承受的平面內(nèi)剪力就比較大，而且底部還要分擔(dān)著一些來自直線位置的豎向荷載，但畢竟有著樁基支撐，效果要比讓高層位置受力安全可靠的多。所以，轉(zhuǎn)換梁柱的設(shè)計(jì)尤為重要，要符合一定的剛度和強(qiáng)度，轉(zhuǎn)換梁柱的設(shè)計(jì)在整個(gè)的建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中都有著重要的作用，應(yīng)該引起我們的重視。

4.4 樓板的設(shè)計(jì)

高層建筑很明顯的一個(gè)特征就是絕大部分的剪力都承受在下部結(jié)構(gòu)，這也導(dǎo)致了梁式轉(zhuǎn)換層的樓面首當(dāng)其沖承受了非常大的剪力壓迫。所以我們?cè)跇敲娴脑O(shè)計(jì)中一定要注意樓面的厚度還要在優(yōu)化的后期過程中對(duì)樓面進(jìn)行加厚，這樣才能保證的剪力的重新分配和樓面的平衡受壓，是梁式轉(zhuǎn)換層在高層建筑中保障高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

5.結(jié)語

本文主要對(duì)高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了具體的分析和探討，通過本文的研究，我們認(rèn)識(shí)到了梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的巨大作用，所以在以后進(jìn)行高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，我們應(yīng)做好充足準(zhǔn)備，好好進(jìn)行梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作，這樣才能確保高層建筑的質(zhì)量安全和居住適用性。

參考文獻(xiàn)

[1]呂革，吳菲. 談高層建筑中梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在實(shí)際工程中的運(yùn)用[J]. 中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2012，12：198-199.

[2]王杰. 梁式轉(zhuǎn)換層和桁架轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案對(duì)比分析[D].西南交通大學(xué)，2011.