劉丹莉

摘 要：在經(jīng)濟飛速發(fā)展的刺激之下，高層建筑不斷拔地而起，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)隨著底部大空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展在方法和形式等方面變得越來越多樣化，結(jié)構(gòu)受力也日趨完善。在實現(xiàn)垂直轉(zhuǎn)換的常用結(jié)構(gòu)形式中，梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)為最常用的結(jié)構(gòu)形式之一。文章明確了梁式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層受力情況，介紹了高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層的設(shè)計方法，分析了其受力原理和計算方法，以及特殊抗震設(shè)計。

關(guān)鍵詞：高層建筑；梁式轉(zhuǎn)換層；設(shè)計計算；構(gòu)造

引 言

現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢之一便是梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。不論是住宅、寫字樓，還是底部大空間商場，都離不開結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的設(shè)計。轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式包括箱形梁轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)、梁墻梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)、厚板轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)、桁架式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)、空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)、巨型框架等。由于貴州省貴陽市本地區(qū)設(shè)防烈度為6度，建筑高度多數(shù)均不超過100m，故結(jié)構(gòu)多采用梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1 梁式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)形式和受力特點

1.1 結(jié)構(gòu)形式

梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)是轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中最常用的一種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換形式，傳力途徑為墻——梁——柱（墻），轉(zhuǎn)換構(gòu)件受力明確，設(shè)計和構(gòu)造簡單，施工方便等優(yōu)點，下部大空間靈活，容易滿足建筑功能的要求，同時在轉(zhuǎn)換梁受力較小部位可以開設(shè)合適的洞口，容易滿足建筑功能和設(shè)備管道線布置的要求，因此，在近些年的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用最為廣泛。但高層建筑轉(zhuǎn)換層的設(shè)計造成建筑物剛度發(fā)生突變，在水平地震荷載作用下，轉(zhuǎn)換層上下容易形成薄弱環(huán)節(jié)，又是一種對抗震不利的結(jié)構(gòu)，空間受力就較為復(fù)雜，是這種結(jié)構(gòu)形式的弊端。

實際工程中，可以依據(jù)轉(zhuǎn)換梁的受力特點、工作形式以及應(yīng)用方式等將轉(zhuǎn)換梁劃分為如圖1中的幾種不同的結(jié)構(gòu)形式。

①上部墻體與轉(zhuǎn)換梁共同工作；②轉(zhuǎn)換梁上部墻體開窗洞；③轉(zhuǎn)換梁上部墻體開門洞；④轉(zhuǎn)換梁上部墻體不滿跨，墻體不開洞；⑤轉(zhuǎn)換梁上部墻體不滿跨，墻體開窗洞；⑥轉(zhuǎn)換梁上部墻體不滿跨，墻體開門洞；⑦轉(zhuǎn)換梁上托剪力墻小墻肢。

1.2 受力特點

建筑中的上部墻體與轉(zhuǎn)換梁是連接的，其某種程度上來說是一個整體，因而兩者共同發(fā)生彎曲變形。并且由于轉(zhuǎn)換梁是位于受力邊緣的，因而其在整體的深梁中也是出于受到拉力的邊緣。因而可以得出上部的墻體與轉(zhuǎn)換梁之間的連接使得兩者共同進行工作。而且由于轉(zhuǎn)換梁的實質(zhì)是墻梁，有垂直傳力拱效應(yīng)，使垂直荷載傳遞到了墻梁，通過負載轉(zhuǎn)移到框架柱或墻的兩側(cè)有很大一部分拱作用，轉(zhuǎn)換梁的力的最終結(jié)果是由兩個因素的影響，因此，不管在轉(zhuǎn)換梁的上壁是什么結(jié)構(gòu)，只要是有一定長度的壁，該轉(zhuǎn)換彎曲的效果相對于排除上部墻體因素時期總體的彎矩要小，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的一系列墻梁就會出現(xiàn)在受拉區(qū)。弄清楚梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)傳力途徑以及相應(yīng)的轉(zhuǎn)換梁的受力特點才能進行梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的計算。

轉(zhuǎn)換梁是梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)層的核心構(gòu)件，根據(jù)現(xiàn)有的工程經(jīng)驗和分析可以得出，主要影響它受力特點的因素是主要包括梁自身的材料、尺寸形式，上部的結(jié)構(gòu)類型、剛度，剪力墻等和梁的剛度比，以及上層、下層結(jié)構(gòu)的類型、相對剛度大小等等。

2 梁式轉(zhuǎn)換層的設(shè)計要點

在進行梁體的設(shè)計時，有時候轉(zhuǎn)換梁的上部結(jié)構(gòu)較大，其占據(jù)了大部分的設(shè)置，也就是說梁體的上部滿跨設(shè)置，這時梁體與墻體之間的聯(lián)系就較為緊密，就會導(dǎo)致墻體與梁體之間的共同作用做大化。這樣一來，該墻體的上部結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)換梁之間的手里就如同T型結(jié)構(gòu)的倒裝一般，而跨中區(qū)域作為軸向拉力的集中點，其就會存在較大的軸向拉力，這樣一來其整體梁的設(shè)計就不能夠按照普通的設(shè)計方法來進行設(shè)計了。應(yīng)在采用空間分析程序計算的基礎(chǔ)上，用高精度的分析方法對轉(zhuǎn)換梁受力有影響的范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件及轉(zhuǎn)換梁進行受力性能分析。梁式轉(zhuǎn)換層的分析中，計算簡圖可取轉(zhuǎn)換梁附近端范圍內(nèi)（轉(zhuǎn)換梁的凈跨度）的墻體以及結(jié)構(gòu)的下層來作為整體的結(jié)構(gòu)模型來進行分析，從而能夠根據(jù)對于模型的分析來得到充足的數(shù)據(jù)，從而能夠有效的針對其進行設(shè)計。

2.1 結(jié)構(gòu)布置

一般在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計，都是因為處于建筑功能的考慮，建筑底層的樓層空間結(jié)構(gòu)設(shè)計均為大開間，而上層的空間結(jié)構(gòu)開間則相對較小；下層的梁柱數(shù)量較少，而上層的梁柱相對較多。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計是不符合常規(guī)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的，若不進行轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計，就會使建筑的樓層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和受力性能受到很大影響。但是即便設(shè)計了結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，其布置設(shè)計不合理，也不會起到良好的轉(zhuǎn)換作用。一般在轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的布置設(shè)計中需要注意以下幾點布置事項：

（1）平面為長矩形，其平面的橫向的剪力墻數(shù)量相對而言較多的時候需要對于剪力墻的數(shù)量進行對比，也就是說落地剪力墻與橫向剪力墻之間數(shù)量的比值，非抗震設(shè)計時不宜少于30%；抗震設(shè)計時不宜少于50%，對于一般平面，在非震區(qū)γ應(yīng)盡量接近于1，不應(yīng)大于3；落地剪力墻和筒體底部墻體應(yīng)加厚；

（2）轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度比應(yīng)符合本規(guī)程附錄E的規(guī)定；直接落地的豎向構(gòu)件越少，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)越少，轉(zhuǎn)換層造成的剛度突變就越小，對結(jié)構(gòu)抗震更有利。

（3）框支層周圍樓板不應(yīng)錯層布置；

（4）落地剪力墻和筒體的洞口宜布置在墻體的中部；

（5）框支剪力墻轉(zhuǎn)換梁上一層墻體內(nèi)不宜設(shè)邊門洞，不宜在中柱上方設(shè)門洞。

2.2 上、下層側(cè)移角比

用來表示上、下層剛度的大小變化的量值稱為轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)上、下層結(jié)構(gòu)的側(cè)移角之比。實際應(yīng)用時，為了保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，內(nèi)力直接有效地進行傳遞，就需要將側(cè)移角比限定在安全范圍以內(nèi)，避免突變。

γ=Δui+1hi/Δuihi+1

式中：γ——側(cè)移角比；

Δui和Δui+1——分別為第i層和第i+1層的層間側(cè)移；

hi和hi+1——分別為第i層及第i+1層層高。

2.3 上、下層剛度比

沿著規(guī)則的橫向剛度的垂直結(jié)構(gòu)高層建筑應(yīng)該是統(tǒng)一的，尤其是在高層建筑在底部轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)布置應(yīng)盡量避免明顯的剛度突變。為了使上部轉(zhuǎn)換層附近的轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度的結(jié)構(gòu)的相鄰側(cè)向剛度，特別注意應(yīng)產(chǎn)生軟弱層控制剛度突變，減少內(nèi)力傳遞的突變程度最大程度上減少上、下轉(zhuǎn)換層之間內(nèi)力傳遞途徑，保證轉(zhuǎn)換層樓蓋有足夠的剛度以傳遞不同抗側(cè)力結(jié)構(gòu)之間的剪力，防止框支柱因樓蓋錯層發(fā)生破壞。因為剪力墻結(jié)構(gòu)的底層較為高大，并且一部分的結(jié)構(gòu)被改為了框架支撐，因而在剪力墻的底部其剛度被大幅度的降低了，為了使低層的剛度穩(wěn)定，避免其發(fā)生突變，需要對于裝換層相鄰的結(jié)構(gòu)以及其自身加以控制，使控制轉(zhuǎn)換層與其相鄰上層結(jié)構(gòu)的等效側(cè)剛比應(yīng)滿足JGJ3-2010附錄E要求。

2.4 轉(zhuǎn)換層構(gòu)件的設(shè)計要點

（1）剪力墻的設(shè)計要點。底部大空間層應(yīng)有落地剪力墻（或）落地簡體，落地縱橫剪力墻最好成組布置；保證大空間有充分的剛度，防止豎向的剛度過于懸殊；加強轉(zhuǎn)換層的剛度與承載力，保證轉(zhuǎn)換層可以將上層剪力可靠地傳遞到落地墻上去；落地剪力墻，盡量不要開洞，或開小洞，以免剛度削弱太大。洞口宜布置在剪力墻的中部。

（2）轉(zhuǎn)換梁的設(shè)計要點。轉(zhuǎn)換梁設(shè)計時為了防止梁脆性破壞，箍筋配置得當(dāng)，要根據(jù)梁的剪壓比來確定合理的截面尺寸。當(dāng)對梁進行開設(shè)洞口時，要對洞口部位進行加強處理，可以增加箍筋的配置或者設(shè)置其他加強構(gòu)件?？蛑Я旱膶挾炔恍∮谏喜考袅穸鹊?倍；轉(zhuǎn)換梁上下縱筋配筋率、箍筋的加密及面積配箍率、偏心受拉轉(zhuǎn)換梁縱筋的設(shè)置、剪壓比等，“高規(guī)”中均有強制性規(guī)定。

3 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計

轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)如果豎向剛度不足，就易在轉(zhuǎn)換層附近發(fā)生突變，還要關(guān)注垂直橫向力分量是不連續(xù)的，因此動力傳輸結(jié)構(gòu)（包括垂直和水平力）通路的突變發(fā)生在轉(zhuǎn)換層及其附近，在強烈的地震中，容易產(chǎn)生薄弱部位，因此，在抗震設(shè)計時，除控制剛度比轉(zhuǎn)換層下，還應(yīng)采取措施加強結(jié)構(gòu)構(gòu)件，包括附近的郵筒，箱形梁，地板墻壁，下層轉(zhuǎn)換層和其他組件，以確保在地震時底部有效地提供和水平剪力結(jié)構(gòu)，要想使高大的建筑物有足夠的延性抗震設(shè)計，轉(zhuǎn)換層應(yīng)注意以下幾個方面：

（1）在進行抗震設(shè)計時，高轉(zhuǎn)換受力結(jié)構(gòu)是非常不利的。通過相應(yīng)的計算分析表明，在發(fā)生地震時，在地震力的作用下，由彎矩分布曲線科研明顯的看出傾覆顯示轉(zhuǎn)折點在轉(zhuǎn)換層處，下層轉(zhuǎn)換是以剪切墻為主的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻傾覆的轉(zhuǎn)換時刻分配下一層遞增相對于支撐框架的傾覆力矩要少得多。

（2）在轉(zhuǎn)換層的地方，有很多的剪切力從框支剪力墻上已樓板作為傳遞通道傳遞到落地的剪力墻上，這同樣是傾覆力矩曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折的原因。當(dāng)處于更高的轉(zhuǎn)換層位置時，剪切力分布和傳播途徑也發(fā)生急劇突變更容易產(chǎn)生裂紋剪力墻，支撐框架剪力墻在墻上轉(zhuǎn)換層收到的內(nèi)力是接巨大的，使得墻體容易被破壞，位于墻體結(jié)構(gòu)下部的支撐框架轉(zhuǎn)換層更容易就范，這樣一來就容易造成一些薄弱層。

（3）由框支主梁承托轉(zhuǎn)換次梁及次梁上的剪力墻，其傳力途徑多次轉(zhuǎn)換，受力復(fù)雜，框支主梁除承受上部剪力墻這樣用外，還需承受梁梁傳給的剪力、扭矩和彎矩，框支主梁易受剪破壞，故規(guī)范規(guī)定框支剪力墻對受力復(fù)雜部位應(yīng)進行應(yīng)力分析，并按應(yīng)力校核配筋，加強配筋構(gòu)造措施。

（4）大空間剪力墻結(jié)構(gòu)的底部。由于剪力墻的地層結(jié)構(gòu)相對而言較為高大且面積也較大，在加上剪力墻結(jié)構(gòu)由原本的不落地結(jié)構(gòu)不斷的變?yōu)榭蚣艿慕Y(jié)構(gòu)，其底部的剛度被顯著降低，為了最大程度上避免底層剛度突變，應(yīng)控制相鄰的上側(cè)結(jié)構(gòu)的等效剛度比轉(zhuǎn)換層。

（5）加強底部框支層及轉(zhuǎn)換層樓板的剛度和延性，故框支柱軸壓比要嚴(yán)格控制；轉(zhuǎn)換層樓板要將上層結(jié)構(gòu)的水平剪力傳遞到下層抗剪結(jié)構(gòu)上去，本身承受很大的平面內(nèi)剪力，同時又承受部分豎向荷載，因此要求樓板要有足夠的強度和剛度。

4 結(jié) 語

當(dāng)然，在高層建筑的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計中，所需要注意的設(shè)計要點問題絕非僅有本文上述的幾點。在實際的建筑設(shè)計中，還必須要結(jié)合實際情況和當(dāng)?shù)氐牡卣鹆叶冗M行合理設(shè)計，確保高層建筑在滿足基本的建筑設(shè)計要求和抗震性能的前提下，實現(xiàn)最佳的經(jīng)濟效益和功能作用。

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