高層建筑梁式轉換層結構設計思考

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摘要：隨著社會經濟的飛速發展，高層建筑已經成為現代社會建筑領域的主要模式，為滿足人們生產生活需要，保障人們生活生產的安全性和穩定性，當前高層建筑采用多種結構設計形式進行設計施工，梁式轉換層就是其中之一。本文通過分析高層建筑梁式轉換層結構設計的設計原理，對梁式轉換層結構特點和結構形式設計要點進行闡述，從而嘗試解決高層建筑梁式轉換層結構設計的重點難點，達到在高層建筑梁式轉換層結構設計中作出科學合理設計的目的。

關鍵詞：高層建筑；梁式轉換層；結構設計；構造要求

當前社會經濟飛速發展的形勢下，高層建筑已成為建筑領域主要類型，高層建筑由于結構復雜和具有一定高度，在外觀和施工技術上具有較大特殊性，因此在施工上要求更高。為提高高層建筑工程質量，保證穩定性和安全性，高層建筑施工更要注意受力問題，以避免自然災害如地震對高層建筑造成破壞。而梁式轉換層作為高層建筑主要結構形式之一，在提高建筑穩定性和安全性上具有顯著優勢。

1高層建筑梁式轉換層結構

目前城市建筑出現大量高層建筑，且為了滿足城市地少人多的特點和建筑功能需要，高層建筑多采用下部（一般1~3層）為大開間商場或公共娛樂場所，上部為小開間民用住宅，不同功能相結合的商住高層建筑模式。由于下部大開間要滿足公共使用要求，一般為大柱網、少墻體、相對稀疏的結構設計，上部相對結構密集，因此容易造成上下部之間建筑結構體系存在較大差異，造成受力不均衡，違背了常規豎向結構布置原則，容易造成建筑穩定性和安全性較差。因此，為提高高層建筑穩定性和安全性，針對上下結構體系轉換的樓層設計轉換層這一形式的出現，滿足了高層建筑結構設計要求，主要有桁架轉換結構、箱型梁轉換結構、梁式轉換結構、厚板轉換結構和空腹桁架轉換結構等。其中梁式轉換結構是高層建筑中使用最多的轉換層結構形式，在提高高層建筑穩定性和安全性上發揮著重要作用。

2梁式轉換層結構特點和結構形式

梁式轉換層結構通過利用下部轉換大梁，將上部剪力墻落在框支梁上，再由框支柱來支撐框支梁，經由墻—梁—柱（墻）的傳力途徑緩解上下部結構設計不同造成的受力不均衡的不良局面，提高高層建筑穩定性和安全性。梁式轉換層具有傳力直接明確，施工較為簡單，便于工程分析、計算和設計的特點，被廣泛用于底部大空間框支剪力墻結構體系。但如果出現上下軸線布置錯位，需要增加較多的轉換次梁，就容易造成空間受力復雜的不良局面。根據上部結構形式和受力特點，梁式轉換層結構形式可分為以下八種形式（見圖1）。

3高層建筑梁式轉換層結構的設計原理

高層建筑梁式轉換層的設計原理主要有三維設計原理、有限元原理和協同工作原理3種。其中三維設計原理是首要遵循和選擇的設計原理，它利用CAD制圖的方法，通過使用2個以上不同力學模型，如空間桿—墻板元模型三維空間分析軟件，對梁式轉換層結構進行分析和計算。它可以保證在高度精準度的基礎上更有效地保障結構分析，使設計人員可以準確掌握結構的真實受力狀態，提高高層建筑梁式轉換層結構的設計效率和設計科學性，從而避免結構設計存在漏洞。有限元原理是在三維設計原理分析計算整體結構后作為補充設計的一種設計原理，主要應用于局部轉換層的有限元補充分析，如在拖柱轉換結構當中的抽柱框架，就是有限元分析原理應有的、具有代表性的分析對象，在計算方位時要注意，在樓層計算數量取2~4層時，必須保證上部樓高大于下部樓高，只有保證建筑結構能夠達到承受并傳遞荷載的水平，高層建筑的幾何構造穩定性水平才能得到有效提高。協同工作原則主要通過統一來自各方向的力，使建筑受力以及承載情況達到穩定，確保建筑各部分可協同工作的一種結構設計原理。它是在三維設計原理、有限元原理2種設計原理的基礎上起到全面綜合協調的一種設計原理，通過以上3種設計原理的綜合支撐，高層建筑梁式轉換層的結構設計才能達到科學、合理，確保了高層建筑的穩定性和安全性。

4梁式轉換層結構的設計與構造要求

4.1抗震等級的確定。根據《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3—2010）相關規定，建筑工程分為4個抗震設防類別：特殊設防類（甲類）、重點設防類（乙類）、標準設防類（丙類）、適度設防類（丁類）。以某棟22層高層建筑為例，該高層建筑分為地上20層，地下停車場1層，其中1~4層為商住樓層，1層層高5.1m，2~4層層高均為4.2m，5層及以上為住宅樓層，層高為3m。其中4層設置為結構轉換層兼設備層，屬于工程轉換層，其以下樓層為框架—剪力墻結構，其以上樓層即5層及以上為純剪力墻結構，因此該建筑屬于多種結構形式共存的復雜高層建筑。它的抗震等級確定就應該按照《高層建筑混凝土結構技術規程》中對不同結構體系和各部位不同結構構件來確定抗震等級。以上面的22層高層建筑為例，它的轉換層設置在4層，已經屬于高位轉換，那么就應該在框支架抗震級別為2級，在剪力墻底部加強部位為3級的基礎上提高1級，以此來保證底部一致并加強底部抗震能力，即框支柱及落地剪力墻抗震提高至1級，轉換層（即第4層）及以下落地剪力墻和加強部位提高至2級。而轉化層以上（5層及以上）屬于純剪力墻結構，其抗震級別應定為4級。此類“高轉換”建筑類型在設計時，在設計軟件SATWE中有一個隱含功能，在第一項“參數輸入”中輸入“轉換層所在層號≥3”，就可使框支柱抗震等級自動提高一級。4.2結構平面布局。以22層建筑為例，該高層建筑5層及以上為純剪力墻結構，在進行剪力墻平面布置上，要求必須符合相關抗震設防要求，達到東西向完全對稱，南北向的剛度中心和質量中心偏差不能超過2m，以保證結構偏心率較小。同時核心筒以外的其余剪力墻必須盡量沿周邊均勻、分散布置，使一部分剪力墻落地并貫通至基礎，使框支墻協同落地剪力墻受力，增強抗扭效果，還必須保證第一自振周期與平動為主的周期比值為0.83，各層最大水平位移與層間位移比值不大于1.4。只有達到以上平面布置和扭轉控制要求，才能保證抗扭效果和高層建筑平面布局設計合理。4.3結構豎向布置。高層建筑因結構復雜，特別是有“高位轉換”轉換層的高層建筑對轉換層結構的側向剛度都有了專門規定：轉換層上下等效側向剛度比宜接近1，不應大于1.3，必須遵循“強化下部，弱化上部”的原則。主要做法有：一是增大底部剛度，除核心筒部分剪力墻在底部必須設置，且使盡可能多的剪力墻落地，必要時在可不增設的部分增設不伸上去的剪力墻。這可通過與建筑專業協商來實現。二是加大底部剪力墻厚度，減少底部剪力墻開洞，避免剛度削弱，主要是通過轉換層以下剪力墻核心筒部分厚度為0.4m，其余部分厚度為0.35m來實現。三是通過適當減少轉換層上部剪力墻數目，以弱化上部剛度，從而減輕建筑物重量，減少框支梁承受的荷載。四是采用C40、C50等級的混凝土來提高底部柱、墻的混凝土強度等級，加強底部剪力墻厚度，起到“強化底部”剛度目的。高層建筑梁式轉換層結構的設計和應用是一項龐大、復雜的設計工程，要求嚴謹、科學、合理，必須要以建筑的穩定安全為首要考慮要素，因此在結構設計過程中還必須高度重視高層建筑梁式轉換層結構設計中要面臨的嵌固端設置、受力分析及超高問題等重點難點問題。只有在嚴格遵循三維設計原理、有限元原理和協同工作原理的基礎上開展結構設計，認真做好受力計算，充分考慮結構平面布局、豎向布置和嵌固端的設置等重點難點，才能為高層建筑梁式轉換層結構設計出科學合理的設計方案，為高層建筑順利施工提供最基本指導藍圖。4.4科學分析與計算轉換層。在進行高層建筑梁式轉換層的結構設計過程中，設計人員可以采用平面有限元的設計軟件來科學分析和計算轉換層的局部作用力。在該環節中，要求確保轉換層的模式與相應計算標準要求相符，并且判斷樓蓋平面的剛度是否對其造成影響。在具體計算剪力墻的過程中復雜性較強，上端剪力墻同時聯系著許多根支柱，如若沒能有效相連，就會導致實際計算的結果與實際相差甚遠。因為梁柱是空間分析的基本單位，因此在對剪力墻實施分析過程中，可以將其當作梁柱單元。在具體設計環節，設計人員可以將轉換梁布設于上層剪力墻與下層支柱間，實現剪力墻與轉換梁的相連，不可單純依靠上層剪力墻與底層柱和拐彎區域，需要有效結合底層柱、中間轉換梁以及上部剪力墻，以實現集中作用力，降低產生扭轉問題的概率。4.5合理設計轉換大梁。在對梁式轉換層實施設計過程中需要做到如下幾點要求：第一，轉換層樓板應當能夠有效傳遞上一層水平作用力至下一層抗剪結構。轉換層樓板不但負荷水平荷載，而且還承載部分豎向作用力，因此務必要確保樓板的縱向剛度與厚度符合規定標準要求。第二，轉換層起到了傳遞上層水平荷載至下層抗剪結構的作用，所以其承受著巨大的荷載，關系到整體建筑的抗震能力，具有不可或缺的作用。因此在具體設計環節，工作人員可以采取三維空間分析法來設計轉換大梁，將其作為桿件來看待，隨后基于對總體結構的分析，結合轉換梁所承受的上層荷載來分析轉換層自身與其上下基層的平面有限元，進而將梁的配筋確定下來。4.6科學設計轉換梁。在實際設計過程中，可以通過計算減壓比將轉換梁的截面大小確定下來，并且盡量避免在轉換梁開洞，如果必須要開洞，那么需要控制洞口邊與支座邊的間距超出梁截面的高度。此外要想將實際抗剪能力提升，務必要加強處理洞口的上、下弦桿，并且需要確保轉換梁的混凝土強度等級不小于C30。在開展非抗震設計過程中，需要確保轉換梁的上、下縱向配筋率最小值不低于0.3%；在開展抗震設計過程中，需要確保一、二與特一級規范要求的最小配筋率分別大于0.5%、0.4%、0.6%。對于部分轉換梁支座偏心受拉的情況，則需要確保其上部縱向鋼筋需要由不少于1/2的沿梁貫通全場，且所有下部縱向鋼筋需要直接連通至柱內。4.7框支柱的設計和構造要求。通常而言，框支柱的截面大小主要是通過軸壓比來進行計算。在開展抗震設計過程中，需要將系數最大值與框支柱的柱頂彎矩相乘，隨后將結果放大后實施配筋，同時要合理調整監理，一旦框支柱數量在10根以下時，且同時在1~2層，各層支柱實際荷載的監理需要不小于2%的基底剪力，如果超過3層，則需要不小于3%的基底剪力；如果框支柱超過10根，框支層為1~2層，則各層根柱荷載的剪力需要20%的基底層剪力，如果超過3層，則需要為30%的基底層剪力。在合理調整框支柱剪力后，還需要調整對應的框支柱彎矩，不過禁止調整支柱軸力。如果抗震等級是1級，則需要確保縱向鋼筋配筋率超過1.2%；抗震等級為2級情況下，則需要超過1.0%；等級為4級時，則需要超過0.9%；4級以上時則需要超出0.8%。4.8框支梁的設計。在設計框支梁過程中，其荷載這比較復雜且巨大的作用力，可以將其看作上下層荷載的媒介力量，亦是確?？蛑Ъ袅拐鹉芰Φ闹匾糠?，所以其屬于一類較為復雜的受力構件，在設計過程中需要具備豐富的設計儲備，要求設計人員將整體結構計算出來后，還需要深入開展分析工作。相關研究顯示，對于框支梁來說，通常其屬于偏心受拉構件，因此務必規范設計，建立成長設計最大數值以及截面高度。由于豎向荷載，梁端是最早受到破壞的部位，所以務必強化其構造措施。對于部分鋼筋進入支座的情況，要求配備穩固的錨固。4.9樓板設計。因為轉換層的作用在于傳遞結構上層的水平剪力至下部結構，所以在平面中轉換層的樓面承受巨大作用力，樓板極易發生變形，所以必須對其實施加厚處理。一般需要使用180mm以上厚度的現澆板，以便在平面轉換層實施剪力重分配，同時強化轉換大梁的抗扭能力與側向剛度。值得注意是，盡量避免在轉換層樓板處開直徑較大的洞，如果要開洞，還需要將次梁暗梁設計在洞口周圍，盡量讓樓板開洞位置和外側邊具有較大距離，并且需要加強處理與轉換層距離較近的樓板。如果不得不將電梯間或樓梯間設置于大空間部位，還需要將鋼筋混凝土墻圍成筒體。

5結語

總而言之，近幾年國家城市經濟快速發展，高層建筑也越來越多，并且隨著其外觀造型藝術化以及功能多元化的發展，對于高層建筑結構設計要求也越來越高，越來越多超常規的結構涌現出來。其中在該類超常規的混凝土結構中，通常都具有自身重量大、高度高與跨度大等特征，所以對高層建筑結構的梁式轉換層結構設計要求也較高。單純根據以往的設計方法與經驗無法保障整體結構的安全，這就要求設計人員能夠正確掌握高層建筑梁式轉換層結構特點和結構形式，并結合實際情況來采取有效的設計措施，以切實有效地提高整體建筑結構的穩定性與安全性，促使高層建筑行業健康發展。

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作者:嚴揚 單位:晉城市建筑設計院