梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計及應(yīng)用研究

田 晨 旺

(山西省建筑設(shè)計研究院，山西 太原 030013)

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梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計及應(yīng)用研究

田 晨 旺

(山西省建筑設(shè)計研究院，山西 太原 030013)

通過對高層建筑中的梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計及相關(guān)應(yīng)用進行分析，得到了梁式轉(zhuǎn)換層中的各設(shè)計要點，對梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計中易出現(xiàn)的問題進行了總結(jié)分析，并提出相應(yīng)的處理建議，以確保轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的建筑正常使用及滿足相應(yīng)的抗震要求。

高層建筑，轉(zhuǎn)換層，承重構(gòu)件，樓板

0 引言

隨著城市發(fā)展的需要及人民生活水平的逐步提高，城市中的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)越來越多，如建筑下部為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，作為商場使用；上部為剪力墻結(jié)構(gòu)，作為住宅樓或酒店使用。這種結(jié)構(gòu)型式的建筑成為商業(yè)區(qū)建筑中的主流建筑。這種具有轉(zhuǎn)換層的建筑多數(shù)為梁式轉(zhuǎn)換層，因此本文對梁式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計及應(yīng)用進行分析。

1 梁式轉(zhuǎn)換層的應(yīng)用

1.1 鋼骨轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

目前的混凝土結(jié)構(gòu)向超高層建筑的方向發(fā)展，建筑的層數(shù)及總高度越來越高，因此結(jié)構(gòu)下部轉(zhuǎn)換層所承受的荷載也越來越大，此時轉(zhuǎn)換層中的構(gòu)件尺寸也越來越大，構(gòu)件尺寸的大小影響著轉(zhuǎn)換層內(nèi)的層高及使用空間。鋼骨混凝土屬于建筑行業(yè)中的新型建筑材料，其具有高強度、高韌性等特點，較小的構(gòu)件尺寸與較大的普通鋼筋混凝土構(gòu)件尺寸具有相同的承載力，使用這種材料制作而成的轉(zhuǎn)換層可產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益，同時還可提高轉(zhuǎn)換層的抗震性能及整體剛度。鋼骨混凝土在國外的底部大空間結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較大，在我國應(yīng)用率還較低。目前我國使用鋼骨混凝土作為轉(zhuǎn)換層的知名建筑主要有北京國際貿(mào)易中心國際旅館，其中鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁的高度為1 800 mm，轉(zhuǎn)換梁承擔(dān)上部20層樓的荷載，截至目前該樓處于穩(wěn)定狀態(tài)，產(chǎn)生良好的社會效益。

1.2 預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁是在施工現(xiàn)場進行預(yù)應(yīng)力施工，制作而成的預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁。制作預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁時施工工序復(fù)雜，且施工成本相對較高。使用該方法制作轉(zhuǎn)換梁的成本較高的原因之一是由于目前我國此類相關(guān)的施工技術(shù)人員相對較少，隨著預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁的普及應(yīng)用，此施工成本則會相應(yīng)降低。使用預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁可減少鋼筋用量及混凝土用量，實現(xiàn)較小的轉(zhuǎn)換梁尺寸而具備較高的承載力，但預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁的柔韌性低于鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁，目前我國的知名建筑中使用預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁作為轉(zhuǎn)換層的建筑主要為北京市人民檢察院大樓。

2 設(shè)計原則

2.1 減少豎向承重構(gòu)件的數(shù)量

若轉(zhuǎn)換層上部的豎向承重構(gòu)件數(shù)量較多，而轉(zhuǎn)換層下部的豎向承重構(gòu)件數(shù)量基本不變，經(jīng)轉(zhuǎn)換層轉(zhuǎn)換后結(jié)構(gòu)上部的豎向承重構(gòu)件數(shù)量還相對較多，此時轉(zhuǎn)換層上下部構(gòu)件數(shù)量相差較大，在轉(zhuǎn)換層位置處產(chǎn)生較大的剛度突變，對結(jié)構(gòu)的整體抗震性能影響較大，因此應(yīng)適當(dāng)降低轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)的豎向承重構(gòu)件數(shù)量。

2.2 對稱布置轉(zhuǎn)換層內(nèi)的豎向承重構(gòu)件

布置轉(zhuǎn)換層內(nèi)的柱墻時，應(yīng)將此類豎向承重構(gòu)件對稱布置，使其達(dá)到受力均勻的效果。若有必要在梁中設(shè)置柱墻時，應(yīng)將柱墻布置在梁跨中的位置，避免因上部荷載較大而導(dǎo)致梁撓度變形較大，從而導(dǎo)致上部柱墻的垂直度發(fā)生變化，影響柱墻正常的豎向承載力，使柱產(chǎn)生偏壓破壞或剪切破壞。

2.3 增強轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)的剛度

高層建筑中的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，以轉(zhuǎn)換層為分界線其剛度發(fā)生較大變化，而當(dāng)轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)的剛度較大時，下部的承載能力及抵抗變形能力增強，此時結(jié)構(gòu)的抗震性能也越好。增強轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)的剛度，相對弱化上部結(jié)構(gòu)的剛度，從而達(dá)到轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)的剛度及相應(yīng)的變形相一致，增強建筑整體的抗震性能。通常增強轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)的剛度的方法主要有：提高混凝土強度等級，增加混凝土構(gòu)件的截面尺寸，增加柱墻數(shù)量等。

增加剛度時，若采用的是增加柱墻數(shù)量方法，設(shè)計時應(yīng)將柱墻均勻布開，使結(jié)構(gòu)達(dá)到剛度均勻，且使建筑的重心與剛度的中心基本保持一致，以免兩者差距較大而導(dǎo)致地震來臨時結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)變形；若采用的是增大構(gòu)件截面尺寸的方法，則會增大轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)的整體剛度，且影響下部結(jié)構(gòu)的空間使用。當(dāng)?shù)卣饋砼R時由于上下剛度變化較大，從而導(dǎo)致下部結(jié)構(gòu)承受的地震荷載更大，不利于建筑整體結(jié)構(gòu)的抗震性能，因此在設(shè)計時應(yīng)根據(jù)建筑物所在的地理位置及特點進行相應(yīng)的設(shè)計。

2.4 確保轉(zhuǎn)換層的剛度

轉(zhuǎn)換層作為建筑物中的剛度及荷載傳遞的轉(zhuǎn)換位置，該位置的剛度大小影響著整個建筑的正常、安全使用。因此在設(shè)計時必須確保轉(zhuǎn)換層的梁具備較大的剛度，尤其是梁豎向方向的剛度，通常情況下梁高度方向的剛度需超過梁沿跨度方向的12%，此時轉(zhuǎn)換層的梁才能將上部結(jié)構(gòu)中的豎向荷載及橫向荷載向下部結(jié)構(gòu)的柱墻中傳遞。

2.5 轉(zhuǎn)換層的位置

設(shè)計轉(zhuǎn)換層的位置時，不宜將轉(zhuǎn)換層的位置定于較高樓層，當(dāng)布置的較高時，不利于轉(zhuǎn)換層的側(cè)向剛度和抗側(cè)力，極不利于結(jié)構(gòu)的抗震。因此在設(shè)計時，將轉(zhuǎn)換層位置布置的相對較低，且將結(jié)構(gòu)整體的剛度由下而上逐漸減小，提高轉(zhuǎn)換層的抗剪剛度及抗彎曲剛度，最大程度的降低結(jié)構(gòu)的位移角，減小層間內(nèi)力突變。

3 轉(zhuǎn)換梁的計算

對轉(zhuǎn)換梁進行設(shè)計計算時，先通過計算轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)的荷載，再將荷載通過柱墻傳遞至轉(zhuǎn)換梁中，之后再將上部結(jié)構(gòu)中的水平荷載進行累計計算，最終將水平荷載也傳遞至轉(zhuǎn)換梁中。根據(jù)荷載大小初步計算轉(zhuǎn)換梁的尺寸，最后根據(jù)結(jié)構(gòu)所需剛度及承載力強度對轉(zhuǎn)換梁的尺寸進行調(diào)整。設(shè)計完成后對結(jié)構(gòu)進行三維建模分析，由于是注重對于轉(zhuǎn)換梁的建模計算分析，當(dāng)所設(shè)計的轉(zhuǎn)換梁承載力及其他性能滿足多種不同有限元模擬軟件的計算時，方可進行下一步工作。

結(jié)構(gòu)整體及轉(zhuǎn)換梁計算完成后，對轉(zhuǎn)換層構(gòu)件的平面局部應(yīng)力進行計算。在進行驗算時，由于轉(zhuǎn)換層上下層的柱墻僅通過轉(zhuǎn)換梁進行連接，當(dāng)柱與墻的連接方式出現(xiàn)輕微的不當(dāng)時，計算時極易產(chǎn)生較大的誤差，從而影響施工后結(jié)構(gòu)的正常受力。對空間結(jié)構(gòu)進行建模分析時，以梁柱作為單元進行分析；對底框—剪力墻結(jié)構(gòu)進行建模分析時，以墻作為單元進行分析。

4 轉(zhuǎn)換層中構(gòu)件的相關(guān)計算

4.1 轉(zhuǎn)換柱的計算

在以轉(zhuǎn)換梁為轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式中，需對轉(zhuǎn)換柱的軸壓比進行控制，調(diào)整轉(zhuǎn)換柱的軸壓比，使其具有良好的延性及抗震性能。當(dāng)所設(shè)計的建筑結(jié)構(gòu)抗震等級為一級時，需將轉(zhuǎn)換柱的軸壓比控制在0.6以下；當(dāng)所設(shè)計的建筑結(jié)構(gòu)抗震等級為二級時，需將轉(zhuǎn)換柱的軸壓比控制在0.7以下。

4.2 樓板的計算

樓板作為一般的豎向受力構(gòu)件，而轉(zhuǎn)換層中的樓板作為主要豎向受力構(gòu)件。在轉(zhuǎn)換層中，樓板作為豎向受力構(gòu)件，同時也作為影響結(jié)構(gòu)整體剛度構(gòu)件，將轉(zhuǎn)換層中的樓板厚度增加，可提高樓板的整體剛度，同時還可使上部結(jié)構(gòu)向下傳遞的剪力實現(xiàn)重分配。且在設(shè)計時盡量避免在轉(zhuǎn)換層中的樓板中開洞，若必須開洞時須在洞口四周設(shè)置暗梁。若需在底框結(jié)構(gòu)中設(shè)置電梯時，需將電梯四周設(shè)置剪力墻，以增加結(jié)構(gòu)的側(cè)向抗剪承載力，確保結(jié)構(gòu)安全。

4.3 轉(zhuǎn)換梁的計算

在對轉(zhuǎn)換梁進行計算時，需對轉(zhuǎn)換梁的各部位受力情況進行詳細(xì)計算，避免因集中荷載較大而在梁端發(fā)生破壞。而在通常情況下，由于所有豎向荷載均通過梁身最終將荷載傳遞至梁端處，最終梁端首先發(fā)生破壞，因此對轉(zhuǎn)換梁進行設(shè)計時，可增大梁端尺寸，避免因梁端承載不足而提前產(chǎn)生破壞，從而影響建筑的正常使用功能。

5 結(jié)語

本文通過對高層混凝土結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)尤其是梁式轉(zhuǎn)換層的設(shè)計原理及其相關(guān)應(yīng)用進行簡要分析，得到在進行梁式轉(zhuǎn)換層設(shè)計時，需進行全面的考慮及相應(yīng)的多次建模驗算分析，提高轉(zhuǎn)換層的強度及剛度的結(jié)論。同時確保所設(shè)計的建筑自下而上剛度變化為先剛再柔的原則，避免所設(shè)計的建筑在轉(zhuǎn)換層位置處出現(xiàn)剛度突變，提高所設(shè)計建筑的抗震性能及確保建筑的正常剛度變化。施工前，若設(shè)計人員發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)施工圖中存在瑕疵或相應(yīng)的偏差時，應(yīng)通知施工單位對其進行相應(yīng)變更，避免產(chǎn)生安全隱患，確保人們的生命財產(chǎn)安全及建筑的正常使用。

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Study on the design and application of girder transfer floor structure

Tian Chenwang

(TheInstituteofShanxiArchitecturalDesignandResearch,Taiyuan030013,China)

Through the analysis of the beam of high-rise building conversion layer structure design and application, get the beam type conversion layer in the main points of design of beam type conversion layer is prone to problems in the structure design were analyzed and put forward the corresponding proposal, to ensure the normal use of the building structure conversion layer and meet the corresponding seismic requirements.

high-rise building, transfer floor, lood-carryging memker, floor

1009-6825(2017)17-0053-02

2017-03-16

田晨旺(1986- )，男，助理工程師

TU318

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