高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計探討

胡靖

摘? ? 要：隨著建筑技術(shù)不斷發(fā)展，城市高層建筑不斷林立，帶轉(zhuǎn)換層的復(fù)雜高層建筑也屢見不鮮。轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)受力情況復(fù)雜，易形成薄弱部位從而對整體結(jié)構(gòu)受力性能造成不利影響，因此轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計是提高結(jié)構(gòu)安全性的重中之重。本文以梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)為研究對象，簡要分析轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力特點及轉(zhuǎn)換層對結(jié)構(gòu)整體受力可能造成的影響，歸納總結(jié)轉(zhuǎn)換構(gòu)件及建筑整體結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般性規(guī)律，為高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計提供一些方法建議。

關(guān)鍵詞：高層建筑;梁式轉(zhuǎn)換層;轉(zhuǎn)換構(gòu)件;結(jié)構(gòu)設(shè)計

1? 前言

在進行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，為避免結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度突變形成軟弱層，一般要求豎向布置規(guī)則均勻，豎向抗側(cè)力構(gòu)件上下連續(xù)貫通。然而工程實際中，由于某些建筑功能特殊需求，譬如建筑底層需要設(shè)置大空間時，建筑結(jié)構(gòu)的部分框架柱或剪力墻無法直接連續(xù)貫通落地，就必須進行轉(zhuǎn)換層設(shè)計。轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)根據(jù)上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件的不同可分為托墻轉(zhuǎn)換和托柱轉(zhuǎn)換，而根據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件的不同又可分為梁式、板式、桁架式等不同轉(zhuǎn)換形式。其中以轉(zhuǎn)換梁為主要轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件的梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)是其中最為常見的一種，具有構(gòu)造簡單、結(jié)構(gòu)可靠穩(wěn)定等特點。

帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑設(shè)計屬于復(fù)雜高層建筑設(shè)計范疇。由于墻、柱等豎向構(gòu)件的連續(xù)性被打斷，轉(zhuǎn)換層的受力情況較為復(fù)雜，易形成抗側(cè)力薄弱部位，進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須特別關(guān)注轉(zhuǎn)換構(gòu)件的受力特性，加強建筑結(jié)構(gòu)整體的抗側(cè)力性能，必要時還需要對受力復(fù)雜部位進行補充應(yīng)力計算分析。

2? 轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)受力特點

2.1? 水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件

梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)以轉(zhuǎn)換梁作為主要水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件，直接承受其上部被轉(zhuǎn)換框架柱或剪力墻傳遞的豎向荷載作用，受情況較為復(fù)雜。在上部結(jié)構(gòu)荷載作用下，轉(zhuǎn)換梁承受較大剪力和彎矩，特別是托柱轉(zhuǎn)換梁在托柱部位承受較大集中荷載以及轉(zhuǎn)換梁自身或其上部墻體的邊洞，極易造成轉(zhuǎn)換梁的應(yīng)力集中。對于托柱轉(zhuǎn)換梁，由于上部豎向荷載與下部豎向荷載的偏心效應(yīng)，轉(zhuǎn)換梁一般承受一定扭轉(zhuǎn)作用，需要考慮轉(zhuǎn)換梁扭轉(zhuǎn)承載力的計算分析和加強措施。對于框支梁，在彎矩和軸力共同作用下，易形成偏心受壓作用，梁截面受拉區(qū)域較大，甚至全截面受拉。

2.2? 豎向轉(zhuǎn)換構(gòu)件

豎向轉(zhuǎn)換構(gòu)件指承托轉(zhuǎn)換梁的豎向構(gòu)件，一般為轉(zhuǎn)換柱。轉(zhuǎn)換柱雖然受力形態(tài)與普通框架柱大致相同，但是受力大、破壞后果嚴重，是轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)中需要重點加強的重要受力構(gòu)件。轉(zhuǎn)換柱抗震承載力主要受柱截面的軸壓比和剪壓比控制?？紤]結(jié)構(gòu)整體的抗震變形能力，轉(zhuǎn)換柱不宜過早屈服，在進行抗震承載力分析計算時，轉(zhuǎn)換柱及與之相連的上、下柱端的剪力和彎矩設(shè)計值應(yīng)進行一定調(diào)整。對于部分落地剪力墻結(jié)構(gòu)，需要考慮框支柱與落地剪力墻協(xié)同抗震問題，特別是在地震作用下出現(xiàn)落地剪力墻剛度降低現(xiàn)象時，框支柱上將承受更多地震作用。另外由于轉(zhuǎn)換梁、柱受力的特殊性，其節(jié)點區(qū)域的受力非常大，應(yīng)進行抗震驗算。

2.3? 轉(zhuǎn)換層位置對結(jié)構(gòu)整體受力特性影響

轉(zhuǎn)換層由水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件及其下部豎向構(gòu)件構(gòu)成。由于豎向構(gòu)件布置的變化，轉(zhuǎn)換層的上、下部樓層易形成較大側(cè)向剛度差異，導(dǎo)致構(gòu)件的內(nèi)力和變形突變。因此轉(zhuǎn)換層是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計需要重點考察的部位。轉(zhuǎn)換層位置對結(jié)構(gòu)整體的抗側(cè)力性能有顯著影響，在進行結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度分析計算時，應(yīng)注意轉(zhuǎn)換層上、下部位計算模型高度的選取。一般來說，越是高位轉(zhuǎn)換對結(jié)構(gòu)抗震越不利，特別是對于部分落地框支剪力墻結(jié)構(gòu)，在地震作用下，高位轉(zhuǎn)換易使上部墻體破壞和下部落地剪力墻屈服，因此應(yīng)限值轉(zhuǎn)換層位置不宜過高，同時相應(yīng)提高框支柱和剪力墻底部加強部位的抗震構(gòu)造措施。

3? 轉(zhuǎn)換構(gòu)件設(shè)計原則

3.1? 轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

與普通框架梁以受彎為主的受力形態(tài)不同，轉(zhuǎn)換梁必須考慮承受拉、彎、剪、扭的共同作用。在進行截面設(shè)計時，除滿足受彎承載力和受剪承載力要求外，轉(zhuǎn)換梁截面尺寸受剪壓比控制。同時，考慮構(gòu)件整體的穩(wěn)定性，應(yīng)限值高跨比不宜過小;考慮轉(zhuǎn)換梁與上、下豎向構(gòu)件的連接，一般限制其截面寬度不大于轉(zhuǎn)換柱同方向?qū)挾?，并且不小于所托柱寬度或不小于所托墻體厚度的2倍。配置偏心受拉轉(zhuǎn)換梁鋼筋時，除滿足相應(yīng)抗震構(gòu)造措施外，梁底縱向鋼筋應(yīng)全部直通柱內(nèi)，梁頂縱向鋼筋至少50%沿全長貫通。針對轉(zhuǎn)換梁受扭，應(yīng)沿腹板高度配置腰筋，同時采取轉(zhuǎn)換梁柱截面中線重合、在托柱位置設(shè)置與轉(zhuǎn)換梁方向正交的框架梁等方式減小扭矩。此外，還需特別注意邊洞、集中荷載等因素造成的轉(zhuǎn)換梁截面上應(yīng)力集中，對轉(zhuǎn)換梁及其上部墻體的洞口尺寸、離開轉(zhuǎn)換柱距離等幾何參數(shù)加以限制，同時對相應(yīng)部位采取箍筋加密等加強措施。

3.2? 轉(zhuǎn)換柱結(jié)構(gòu)設(shè)計

作為重要受力構(gòu)件，轉(zhuǎn)換柱一旦遭受破壞，對結(jié)構(gòu)整體的損害巨大，因此在進行帶轉(zhuǎn)換層高增建筑的抗震設(shè)計時必須首要確保轉(zhuǎn)換柱安全性。對于托柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)建筑物抗震等級，適當(dāng)調(diào)整轉(zhuǎn)換柱軸力設(shè)計值;遵循強柱弱梁的抗震機構(gòu)控制原則，調(diào)整柱端彎矩設(shè)計值;遵循強剪弱彎原則，調(diào)整柱端剪力設(shè)計值，同時柱截面還必須滿足剪壓比控制條件;遵循強節(jié)點弱構(gòu)件原則，對轉(zhuǎn)換梁柱的節(jié)點核心區(qū)進行抗震承載力驗算，并采取相應(yīng)構(gòu)造加強措施。對于部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)框支柱數(shù)量和承受結(jié)構(gòu)基底剪力占比調(diào)整地震剪力，根據(jù)抗震等級調(diào)整落地剪力墻底部加強部位的彎矩和剪力設(shè)計值，并且避免墻肢出現(xiàn)偏心受拉。轉(zhuǎn)換柱截面主要由軸壓比控制，截面高度和寬度最小值分別不小于轉(zhuǎn)換梁跨度的1/12和450mm，同時還應(yīng)避免柱截面過大形成“短柱”。為增加安全度，轉(zhuǎn)換柱與普通框架柱相比有更高配筋率要求，其中縱向鋼筋最小配筋率增加0.2%，最小配箍特征值增加0.02，最小體積配箍率（與抗震一級時框架柱相比）增加0.7%。轉(zhuǎn)換柱箍筋應(yīng)沿柱全高加密，箍筋的最小直徑和最大間距也比普通框架柱有更高要求。

4? 帶轉(zhuǎn)換層高層建筑整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1? 轉(zhuǎn)換層布置及上部結(jié)構(gòu)設(shè)計

對于帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑，考慮到高位轉(zhuǎn)換對結(jié)構(gòu)整體受力性能可能產(chǎn)生的不利影響，應(yīng)盡量控制轉(zhuǎn)換層高度。特別是對于框支剪力墻結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度為8度、7度、6度時轉(zhuǎn)換層分別不宜超過3層、5層、6層，并且當(dāng)轉(zhuǎn)換層超過3層時應(yīng)注意加強框支柱和剪力墻底部加強區(qū)的抗震構(gòu)造措施。轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)的平面布置宜盡量簡單，上部結(jié)構(gòu)的豎向抗側(cè)力構(gòu)件宜直接落在轉(zhuǎn)換梁上，減小荷載傳遞路徑。無法避免主、次梁二次轉(zhuǎn)換時，應(yīng)充分考慮傳力路徑過長的不利影響，對轉(zhuǎn)換主梁進行應(yīng)力補充分析和配筋校核。

4.2? 結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)力性能控制

為避免轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度出現(xiàn)較大差異，給結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)力性能帶來不利影響，需要對轉(zhuǎn)換層上下的側(cè)向剛度比進行驗算分析。對于轉(zhuǎn)換層設(shè)置在2層及以下的情況，可以僅計算轉(zhuǎn)換層及其相鄰上層的等效剪切剛度，近似采用這兩個相鄰樓層的等效剪切剛度比進行控制。此處等效剪切剛度指該樓層的折算剪切剛度與層高的比值。對于轉(zhuǎn)換層設(shè)置在3層及以上的情況，則必須取轉(zhuǎn)整個轉(zhuǎn)換層及下部結(jié)構(gòu)和接近并小于其計算高度范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)，分別計算等效側(cè)向剛度，以下、上部的等效側(cè)向剛度比進行控制。此處等效側(cè)向剛度指所取計算結(jié)構(gòu)計算高度與其在單位水平力作用下頂部側(cè)移的比值。

5? 結(jié)語

與普通高層建筑相比，帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有其特殊性。圍繞轉(zhuǎn)換構(gòu)件的內(nèi)力分析和構(gòu)造加強、轉(zhuǎn)換層設(shè)置和轉(zhuǎn)換路徑的優(yōu)化設(shè)計、整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力性能控制，有必要進行全面系統(tǒng)的分析研究，以達到提高結(jié)構(gòu)安全性的目的。

參考文獻：

[1] 鄭夢龍.鋼筋混凝土梁式轉(zhuǎn)換層施工技術(shù)在高層建筑工程中的應(yīng)用[J].中國住宅設(shè)施，2018（7）：127～128.