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

陳 金

（中海油石化工程有限公司， 山東 濟(jì)南 250101）

0 引言

隨著我國(guó)城市人口數(shù)量的增加，人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的住宅需求與有限的土地資源之間的矛盾日益突出，在此情況下，我國(guó)建筑行業(yè)選擇了建設(shè)高層建筑以滿足人們的住宅需求。在建設(shè)高層建筑的時(shí)候，為了實(shí)現(xiàn)不同的使用功能，設(shè)計(jì)人員采用轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)來應(yīng)對(duì)平面布置豎向變化。由于梁式轉(zhuǎn)換層的方法較為通用、簡(jiǎn)單，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。

1 梁式轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)原則

1.1 控制豎直構(gòu)件的使用數(shù)量

為了有效降低轉(zhuǎn)換層的剛度突變，以免在出現(xiàn)地震的時(shí)候破壞高層建筑的梁式轉(zhuǎn)換層，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換層的過程中，應(yīng)該嚴(yán)格控制豎向落地構(gòu)件的數(shù)量，從而降低轉(zhuǎn)換構(gòu)件的負(fù)荷，減小轉(zhuǎn)換層上下單元的剛度變化，進(jìn)而有效提升高層建筑物的抗震能力。

1.2 控制轉(zhuǎn)換層的剛度

在設(shè)計(jì)梁式轉(zhuǎn)換層的過程中，應(yīng)該嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)換層的剛度及抗震構(gòu)造。由于部分轉(zhuǎn)換梁出現(xiàn)了整跨布置，使上部剪力墻體與轉(zhuǎn)換梁形成倒T型構(gòu)件共同受力，造成轉(zhuǎn)換梁整體受拉，故《高規(guī)》(JGJ3-2015)要求轉(zhuǎn)換梁高大于其跨度的八分之一，規(guī)定其縱向鋼筋、箍筋及腰部鋼筋配筋要求，確保轉(zhuǎn)換構(gòu)件的足夠剛度及承載能力，從而保證梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

1.3 合理設(shè)計(jì)樓板

橫向剪力墻的荷載通過轉(zhuǎn)換構(gòu)件傳遞至落地剪力墻及框支柱承擔(dān)；實(shí)現(xiàn)這一傳遞的構(gòu)件分別為轉(zhuǎn)換梁、次梁、樓板。因此樓板作為傳力構(gòu)件傳遞水平荷載，應(yīng)具有足夠構(gòu)造措施來確保樓板傳力的可靠性。但梁式轉(zhuǎn)換層的樓板也不是越厚越好，當(dāng)承受豎向荷載時(shí)、板厚越厚分?jǐn)偟暮奢d越大，很可能致使樓板出現(xiàn)較大變形而開裂。因此應(yīng)該嚴(yán)格控制計(jì)算樓板的承受能力，保證轉(zhuǎn)換層荷載的正常傳遞。

1.4 剪力墻的設(shè)計(jì)

上部剪力墻應(yīng)在建筑布局允許的情況下盡可能落地，以保證豎向構(gòu)件的連續(xù)性，且落地剪力墻應(yīng)盡可能對(duì)稱布置，以保證結(jié)構(gòu)平面規(guī)則。為保證下部大開間整體結(jié)構(gòu)有適宜剛度、強(qiáng)度、延性和抗震能力，應(yīng)盡量強(qiáng)化轉(zhuǎn)換層下部主體結(jié)構(gòu)剛度，弱化轉(zhuǎn)換層上部主體剛度。下部結(jié)構(gòu)通常采取以下措施：強(qiáng)化下部結(jié)構(gòu)，加大落地剪力墻厚度、提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)、必要時(shí)可在房屋周邊布置部分剪力墻提高抗震能力；上部結(jié)構(gòu)可采取不落地剪力墻開洞、開口、減小墻厚等。

1.5 做好計(jì)算工作

在設(shè)計(jì)梁式轉(zhuǎn)換層的過程中，還應(yīng)該做好計(jì)算工作，詳細(xì)分析轉(zhuǎn)換層的變形情況，設(shè)計(jì)人員可以通過反應(yīng)譜法、動(dòng)力彈塑性的方法對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行詳細(xì)的分析計(jì)算，研究梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)在分析中的變形及構(gòu)件受力。由于不同的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)構(gòu)件其本構(gòu)模型不同，因此應(yīng)該依據(jù)高層建筑的實(shí)際情況及《高規(guī)》（JGJ3-2015）規(guī)定，選擇合適的計(jì)算方法來進(jìn)行計(jì)算，保證模型邊界條件及負(fù)荷相關(guān)的要求。

2 各轉(zhuǎn)換層型式的優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 梁式轉(zhuǎn)換層

此種轉(zhuǎn)換層有著傳力明確、施工方便等的特征。如高層建筑的上下軸線出現(xiàn)錯(cuò)位的情況，就需要多次轉(zhuǎn)化次梁，從而致使建筑的空間受力較為復(fù)雜。

2.2 箱式轉(zhuǎn)換層

此種轉(zhuǎn)換層有著穩(wěn)定性高、剛韌性強(qiáng)等的優(yōu)點(diǎn)。通常情況下，在建設(shè)過程中轉(zhuǎn)換梁柱中間有著很多的設(shè)備洞，這提高了施工的難度，進(jìn)而提高了施工成本。

2.3 厚板式轉(zhuǎn)換層

此種轉(zhuǎn)換層的上部框架結(jié)構(gòu)規(guī)劃并不會(huì)對(duì)下部柱網(wǎng)造成較大的影響，設(shè)計(jì)人員可以隨意的設(shè)置下部柱網(wǎng)，由于厚板的剛度較大，構(gòu)成了一個(gè)承接臺(tái)。此轉(zhuǎn)換層有著施工簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但是也有著實(shí)用性較差、施工成本較高等缺點(diǎn)。

2.4 桁架式轉(zhuǎn)換層

此種轉(zhuǎn)換層與其他的轉(zhuǎn)換層不同，在施工過程中框支柱柱頂彎矩及剪力施工難度較大，當(dāng)軸線出現(xiàn)錯(cuò)位問題的時(shí)候，將增加施工的難度。

綜合考慮高層建筑布置情況及施工難易程度等因素，使用梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)型式是較為合適的。

3 工程案例

為了研究高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，本文以某高層建筑作為案例進(jìn)行相關(guān)的研究。該高層建筑工程為34層建筑，裙樓的地上建筑是3層，地下兩層。地下一樓作為結(jié)構(gòu)的固定點(diǎn)，為解決地上兩層的大開間及地下車庫(kù)的使用功能其轉(zhuǎn)換層設(shè)置在地上第三層，轉(zhuǎn)換層以上采用標(biāo)準(zhǔn)的剪力墻結(jié)構(gòu)，三層以下采用框支剪力墻結(jié)構(gòu)。

4 梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法

4.1 轉(zhuǎn)換大梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的過程中，應(yīng)該詳細(xì)的分析結(jié)構(gòu)層的功能，例如在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換大梁的時(shí)候，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該詳細(xì)計(jì)算結(jié)構(gòu)的受力情況并滿足相關(guān)規(guī)范的構(gòu)造要求，并且根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)工作，進(jìn)而提升高層建筑的承載和抗震性能。

4.2 確定抗震等級(jí)

在高層建筑中，梁式轉(zhuǎn)換層是較為常見的建筑形式，通常情況下含轉(zhuǎn)換層的框剪結(jié)構(gòu)處于純剪力墻與框架剪力墻之間。因而，對(duì)于轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的抗震要求也比較高，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該嚴(yán)格依據(jù)相關(guān)的規(guī)定來確定轉(zhuǎn)換層的抗震等級(jí)。

4.3 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)層的豎向結(jié)構(gòu)

高層建筑在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)盡可能采用落地剪力墻，減少框支柱的使用，使轉(zhuǎn)換層所轉(zhuǎn)換的承載力盡可能減小，避免了結(jié)構(gòu)豎向剛度突變，增加了上下部結(jié)構(gòu)的整體性和連貫性。減少豎向構(gòu)件的個(gè)數(shù)，盡量少的使用短肢剪力墻，減少框支柱的個(gè)數(shù)，結(jié)構(gòu)的水平荷載盡可能的讓剪力墻來承擔(dān)。

再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換層以下及加強(qiáng)部位的剪力墻時(shí)應(yīng)按照《高規(guī)》（JGJ3-2015）和《抗規(guī)》（GB50011-2010(2016年版)）的相關(guān)規(guī)定使上下部結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度盡可能一致，在結(jié)構(gòu)計(jì)算通過的同時(shí)，滿足相應(yīng)的構(gòu)造規(guī)定以確保建筑物的安全儲(chǔ)備及抗震性能。同時(shí)，在設(shè)計(jì)過程中盡可能不在落地剪力墻上開孔洞，假如必須要開孔洞，則應(yīng)該盡量的減小孔洞大小，避免應(yīng)力集中，從而保證主要抗側(cè)力構(gòu)件的承載能力。

4.4 轉(zhuǎn)換層的計(jì)算

在設(shè)計(jì)梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的高層建筑的時(shí)候，應(yīng)采用不同的軟件進(jìn)行建模計(jì)算，分別采用反應(yīng)譜及靜、動(dòng)彈塑性時(shí)程分析，并采用減、隔震措施滿足抗震設(shè)防的要求，以達(dá)到預(yù)防震害的目的。

4.5 樓板設(shè)計(jì)

由于結(jié)構(gòu)的上部水平剪力會(huì)經(jīng)由轉(zhuǎn)換層傳給下部結(jié)構(gòu)，因而轉(zhuǎn)換層會(huì)受到較大的水平剪力，樓板將出現(xiàn)變形的問題，因而可以增加轉(zhuǎn)換層樓面的厚度，在設(shè)計(jì)時(shí)可以使用厚于18厘米的現(xiàn)澆板，以實(shí)現(xiàn)水平荷載在板平面外方向的可靠傳遞；并在樓板中采用雙向雙排鋼筋網(wǎng)。同時(shí)保證轉(zhuǎn)換層樓板沒有較大的孔洞。假如必須要開洞，則應(yīng)該在孔洞的四周設(shè)置次梁或者是暗梁。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在設(shè)計(jì)高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的過程中，應(yīng)該依據(jù)建筑的設(shè)計(jì)要求及功能要求選擇合適的構(gòu)件布置方式，盡可能保證結(jié)構(gòu)的整體性連貫性，避免豎向剛度突變，多利用落地剪力墻的抗剪優(yōu)勢(shì)，盡可能少的使用框支柱。因地制宜合理利用構(gòu)件的受力特點(diǎn)，來滿足規(guī)范規(guī)程對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的要求，以實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)、美觀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初衷。