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

黃靖宇

摘要：高層建筑豎向的不同功能的使用要求，使得高層建筑“底層大空間、高層小空間”的結(jié)構(gòu)要求越來越多，使得轉(zhuǎn)換層的存在成為了一種必然。本文明確提出轉(zhuǎn)換層主要設(shè)計(jì)要點(diǎn)，重點(diǎn)分析梁式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。主要從梁式轉(zhuǎn)換層的構(gòu)件轉(zhuǎn)換梁、框支柱、落地剪力墻、上層剪力墻、上層框架和樓板各專業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行考究，對工程設(shè)計(jì)和施工有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：高層建筑；轉(zhuǎn)換層；轉(zhuǎn)換梁；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.概述

現(xiàn)代高層建筑向多功能和綜合用途發(fā)展，在同一豎直線上，頂部樓層布置住宅、旅館，中部樓層作辦公用房，下部樓層作商店、餐館和文化娛樂設(shè)施。不同用途的樓層，需要大小不同的開間，采用不同的結(jié)構(gòu)形式。建筑這種布置方式很好地解決了豎向交通、人流流向等問題，因此被建筑師所青睞而得到大量應(yīng)用。但從結(jié)構(gòu)角度講，這種布置方式容易造成豎向抗側(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，這些均為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不利因素。

建筑功能“底層大空間、高層小空間”的要求與結(jié)構(gòu)的合理、自然布置正好相反，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)下部樓層受力很大，即正常應(yīng)當(dāng)下部剛度大、墻多、柱網(wǎng)密，到上部逐漸減少。為了滿足建筑功能的要求，結(jié)構(gòu)必須以與常規(guī)方式相反進(jìn)行布置，上部小空間，布置剛度大的剪力墻，下部大空間，布置剛度小的框架柱，或者框架柱加部分剪力墻落地的結(jié)構(gòu)，這種情況下，部分剪力墻在底部變?yōu)榭蚣?。為此，必須在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的樓層設(shè)置轉(zhuǎn)換層，稱結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。

2.轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

高層建筑豎向功能的變化，使得結(jié)構(gòu)有變化，由于豎向抗側(cè)力構(gòu)件的中斷，而導(dǎo)致轉(zhuǎn)換層以下的結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度與樓層屈服強(qiáng)度的驟然減小，引起變形集中和能量集聚而極易發(fā)生嚴(yán)重破壞。從這點(diǎn)出發(fā)，帶轉(zhuǎn)換層高層建筑的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)為：

1）避免結(jié)構(gòu)沿豎向剛度突變

加強(qiáng)轉(zhuǎn)換層及其下部結(jié)構(gòu)剛度，要求轉(zhuǎn)換層及其上下樓層層剛度基本均勻。即必須設(shè)置一定比例的落地剪力墻，并加大落地剪力墻的厚度或提高混凝土強(qiáng)度等級。對于底層大空間層可通過提高混凝土強(qiáng)度和加大豎向構(gòu)件（框支柱、落地剪力墻）尺寸等措施來提高樓層的抗推剛度，使上下層剛度比達(dá)到規(guī)范要求。

轉(zhuǎn)換層上下結(jié)構(gòu)的剛度比計(jì)算根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》附錄E 中的規(guī)定：

位于3 層及以上時可采用等效側(cè)向剛度比：

γe2= Δ2H1/Δ1H2≥0.8

轉(zhuǎn)換層位于3 層及以上時其樓層與上層側(cè)向剛度之比：

γ1=ViΔi+1/ Vi+1Δi ≥0.6

2）應(yīng)盡量強(qiáng)化和提高轉(zhuǎn)換層以及下部結(jié)構(gòu)抗震承載能力，避免罕遇地震作用下下部主體結(jié)構(gòu)（框支柱、轉(zhuǎn)換梁等）破壞，同時應(yīng)注意保證轉(zhuǎn)換層上部1層～2 層不落地剪力墻的承載能力和延性，避免重力荷載和罕遇地震作用下不落地剪力墻根部的破壞；注意和加強(qiáng)下部框架梁、上部連梁的延性，適應(yīng)罕遇地震作用下的塑性鉸發(fā)育發(fā)展耗能的需要。

3）為確保底部大空間各樓層的抗震可靠性，在計(jì)算時將底層水平力全部由落地剪力墻來承擔(dān)，各片剪力墻之間按其等效剛度比例分配相應(yīng)承擔(dān)的水平力，而所有框支柱至少承擔(dān)20%的樓層剪力，框支柱的柱端彎矩應(yīng)按調(diào)整后的剪力計(jì)算。

4）為了保證轉(zhuǎn)換層樓板的剛度和強(qiáng)度，使其更好地傳遞水平力，轉(zhuǎn)換層樓板的厚度不宜小于18 cm，并且應(yīng)雙向雙層配筋，每層每一方向配筋率不小于0. 25%。轉(zhuǎn)換層樓板厚度具體見第三部分。

5）框支柱的截面最小寬度宜等于框支梁寬度，且框支柱軸壓比最小值應(yīng)比同等級框架柱降低0. 1。

3.梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

3.1 轉(zhuǎn)換梁

在《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3- 2002）（以下簡稱《高規(guī)》）中，規(guī)范對轉(zhuǎn)換梁的最小高度和寬度作如下規(guī)定：框支梁截面的寬度不宜大于框支柱相應(yīng)方向的截面寬度，不宜小于其上墻體截面厚度的2 倍，且不宜小于400mm；當(dāng)梁上托柱時，不應(yīng)小于梁寬方向的柱截面寬度。進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時轉(zhuǎn)換梁高不小于其跨度的1/6；非抗震設(shè)計(jì)時，轉(zhuǎn)換梁高不小于跨度的1/8。

實(shí)際上，轉(zhuǎn)換梁的截面尺寸一般宜由剪壓比控制計(jì)算確定，以避免脆性破壞和具有合適的含箍率。其中梁寬應(yīng)≥max {2 倍上部剪力墻厚度；400mm}，梁高≥1/6 計(jì)算跨度。

對于轉(zhuǎn)換梁的設(shè)計(jì)，應(yīng)不宜開洞，若需開洞，洞口宜盡量遠(yuǎn)離框支柱邊，宜位于梁中和軸附近。

轉(zhuǎn)換梁的縱筋配筋構(gòu)造要求、箍筋構(gòu)造要求以及鋼筋接頭與錨固要求均應(yīng)按《高規(guī)》第10.2.8條、10.2.9 條執(zhí)行，實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，考慮轉(zhuǎn)換梁受力為偏心受拉，所以應(yīng)適當(dāng)加大梁下部縱向受拉鋼筋的配筋量，并適當(dāng)增加構(gòu)造配箍率，避免罕遇地震下轉(zhuǎn)換梁剪切破壞，以保證安全。

3.2 框支柱

1）框支柱要求比一般框架柱有更大的延性和抗倒塌能力，所以對軸壓比有著更嚴(yán)格的要求。框支柱截面尺寸一般是由軸壓比計(jì)算確定的（Nmax為框支柱最大組合軸力設(shè)計(jì)值，包括地震作用下軸力調(diào)整）；框支柱截面高度應(yīng)≥max {1/12 轉(zhuǎn)換梁跨度；450mm}。

2）除框支柱地震剪力需進(jìn)行調(diào)整外，為進(jìn)一步提高框支柱的承載能力，應(yīng)按《高規(guī)》第10.2.12 條對框支柱的彎矩、軸力、剪力乘以增大系數(shù)后，進(jìn)行框支柱的截面設(shè)計(jì)。

3）框支柱縱筋在轉(zhuǎn)換層內(nèi)不宜設(shè)接頭，若需設(shè)置，接頭率應(yīng)≤25%，且接頭位置離開節(jié)點(diǎn)區(qū)≥500mm，接頭采用可靠的機(jī)械或焊接連接。

3.3 落地剪力墻

1）落地剪力墻的截面尺寸應(yīng)按規(guī)范7.2.1 條控制并滿足墻體的穩(wěn)定計(jì)算要求，并應(yīng)按《高規(guī)》第7.2.2.6 條要求控制剪壓以及《高規(guī)》第7.2.14 條要求控制軸壓比。

2）落地剪力墻底部加強(qiáng)部位的墻身分布筋的最小配筋率、直徑與間距等要求均應(yīng)按《高規(guī)》第10.2.15 條執(zhí)行；墻體兩端宜設(shè)置翼墻或端柱，并應(yīng)按《高規(guī)》第7.2.15 條、7.2.16 條設(shè)置約束邊緣構(gòu)件以提高落地剪力墻的延性。

3.4 上層剪力墻

上部剪力墻布置時，注意外墻盡端盡量設(shè)置翼緣，注意門窗洞口盡量居于轉(zhuǎn)換梁跨中，應(yīng)盡量避免無連梁相連的延性較差的單片墻。滿足上述條件的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)上部剪力墻軸壓比限值建議按下表1控制。

3.5 上層框架

1）上層框架尤其轉(zhuǎn)換層上層框架梁柱受力復(fù)雜，應(yīng)力集中，設(shè)計(jì)時應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)?？拐鹪O(shè)計(jì)時應(yīng)將柱底截面組合彎矩值增大1.5（一級）、1.25（二級）、1.15（三級），其他內(nèi)力調(diào)整系數(shù)可按框架或框剪結(jié)構(gòu)有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。上層框架柱軸壓比限值也應(yīng)適當(dāng)從嚴(yán)控制，建議按表2執(zhí)行。

2）上層框架梁縱向鋼筋的構(gòu)造要求應(yīng)注意與轉(zhuǎn)換梁共同工作形成整體空腹桁架的工作特性，下部縱筋在柱支座內(nèi)的錨固、搭接按受拉鋼筋要求執(zhí)行。其余框架梁、柱及節(jié)點(diǎn)的抗震設(shè)計(jì)措施、構(gòu)造要求均按框架或框剪結(jié)構(gòu)相應(yīng)要求并適當(dāng)從嚴(yán)執(zhí)行。

3.6 轉(zhuǎn)換層樓板

1）轉(zhuǎn)換層樓板應(yīng)按照局部應(yīng)力有限元分析結(jié)果進(jìn)行截面設(shè)計(jì)，一般控制小震作用下板內(nèi)的主拉應(yīng)力不超過混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，中震作用下板內(nèi)鋼筋不屈服。樓板厚度不宜小于180mm，應(yīng)雙層雙向配筋，配筋率不宜小于0.25%；落地剪力墻周圍不宜開大洞，且在樓板邊緣、孔洞邊緣結(jié)合邊梁設(shè)置予以加強(qiáng)，其寬度不宜小于2 倍板厚，縱筋配筋率不應(yīng)小于1%。

2）相鄰轉(zhuǎn)換層樓板厚度不宜小于120mm，宜雙層雙向配筋，配筋率不宜小于0.2%，且需在樓板邊緣、孔洞邊緣結(jié)合邊梁設(shè)置予以加強(qiáng)。

4.結(jié)論

高層建筑功能上使用多樣化，使得內(nèi)容空間各不一樣，柱距的不同要求，使得轉(zhuǎn)換層構(gòu)造的出現(xiàn)成為工程上的一種必然結(jié)果。轉(zhuǎn)換層構(gòu)造能夠滿足上下剛度和質(zhì)量不均勻，傳力途徑不直接，轉(zhuǎn)換部位應(yīng)力復(fù)雜這些特點(diǎn)。其中梁式轉(zhuǎn)換層在各高層建筑上使用廣泛，專業(yè)技術(shù)要求較高，對工程規(guī)范要求較高。梁式轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)要點(diǎn)上，從主要構(gòu)件轉(zhuǎn)換梁、框支柱、落地剪力墻、上層剪力墻、上層框架和樓板各專業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行考究，對工程設(shè)計(jì)和施工有一定的參考意義。

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