趙京江

（廣東鴻宇建筑與工程設(shè)計顧問有限公司，廣東 東莞 523080）

結(jié)構(gòu)設(shè)計中梁式轉(zhuǎn)換層設(shè)計要點(diǎn)
——怡福苑A1幢住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計體會

趙京江

（廣東鴻宇建筑與工程設(shè)計顧問有限公司，廣東 東莞 523080）

隨著社會以及科技的進(jìn)步，高層建筑功能不斷向著多樣性和空間多變性等綜合性方向發(fā)展，為爭取建筑有較大的空間和提供較大的出入口，結(jié)構(gòu)采用轉(zhuǎn)換層是不可避免的，也是當(dāng)今高層建筑中一個主要的趨向，其中梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的應(yīng)用較為普遍。本文通過對怡福苑A1幢住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計為實(shí)例，提出在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，梁式轉(zhuǎn)換層應(yīng)注意的問題和相應(yīng)的構(gòu)造措施。

轉(zhuǎn)換層；梁式轉(zhuǎn)換；結(jié)構(gòu)設(shè)計

0 引言

本工程位于廣東恩平市，設(shè)計于2014年5月，是一棟集商業(yè)與住宅為一體的商住樓，高53.3 m，地下1層，地上16層，總建筑面積11 593 m2。其中地下1層為大底盤地下停車庫，層高5.1 m，地上1、2層為裙樓，作為商業(yè)用途，層高分別為6.5 m和4.5 m，長52.9 m，寬31 m，結(jié)構(gòu)布置如圖1；3層以上作為住宅，標(biāo)準(zhǔn)層層高3 m，最大長33.6 m，寬27.3 m，結(jié)構(gòu)布置如圖2。建筑功能要求商鋪布置方正規(guī)則，住宅部分墻柱無法上下貫通，落到地面，因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，商業(yè)與住宅兩者的轉(zhuǎn)換成為重點(diǎn)考慮問題。以下結(jié)合轉(zhuǎn)換層相關(guān)特點(diǎn)與本工程設(shè)計過程處理措施作幾點(diǎn)體會，以資借鑒。

1 轉(zhuǎn)換層特點(diǎn)與設(shè)計原則

1.1 轉(zhuǎn)換層特點(diǎn)

在高層建筑結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)換層在上下部結(jié)構(gòu)中扮演著至關(guān)重要的角色，是一個建筑物中不同結(jié)構(gòu)形式相連接的中轉(zhuǎn)站，它既是上部結(jié)構(gòu)的“空中基礎(chǔ)”，又是下部結(jié)構(gòu)的封頂，在整個建筑結(jié)構(gòu)體系中起著轉(zhuǎn)換傳遞作用：

1）通過結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，上下兩層柱網(wǎng)的排列或剪力墻的不同布置得到有效的過渡，從而獲得可觀的樓層空間，進(jìn)一步滿足當(dāng)代建筑對空間高利用率的功能要求。

圖1 1和2層結(jié)構(gòu)布置圖

圖2 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置圖

2）通過結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，上下部豎向不連續(xù)構(gòu)件的受力荷載經(jīng)過結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的轉(zhuǎn)換，傳遞到承重相對較少的構(gòu)件上。

1.2 設(shè)計原則

經(jīng)大量研究說明，帶轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)是不規(guī)則結(jié)構(gòu)，因其傳力不直接而被定義為受力復(fù)雜結(jié)構(gòu)。在地震作用下，結(jié)構(gòu)的軟弱層和薄弱層多發(fā)生在轉(zhuǎn)換層中，不利于抗震。因此，對設(shè)置轉(zhuǎn)換層高層建筑，除滿足建筑及其他專業(yè)功能要求以外，還應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)原則：

1）避免（減少）轉(zhuǎn)換。在滿足建筑功能情況下，盡量避免布置轉(zhuǎn)換層，如必需布置轉(zhuǎn)換層，主體上下部豎向構(gòu)件盡可能多的布置成上下連續(xù)貫通，直接落地。尤其是在樓梯井或電梯井等存在中心筒結(jié)構(gòu)中，盡可能把中心筒部分構(gòu)件設(shè)置成上下連續(xù)貫通。

2）力的傳遞直接。在布置轉(zhuǎn)換層的主體豎向結(jié)構(gòu)中，必須注意水平和豎向轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在力的傳遞路徑上，盡可能做到傳遞直接，少采用受力復(fù)雜的多級轉(zhuǎn)換，更應(yīng)避免設(shè)置傳力不明確、質(zhì)量大、耗材多、抗震不利的厚板轉(zhuǎn)換。

3）弱化上部、強(qiáng)化下部。在結(jié)構(gòu)調(diào)整時，要使轉(zhuǎn)換層下部大空間的結(jié)構(gòu)能有足夠的強(qiáng)度、剛度、延性以及抵抗地震的能力，應(yīng)盡可能弱化轉(zhuǎn)換層上部主體結(jié)構(gòu)剛度，強(qiáng)化轉(zhuǎn)換層下部主體結(jié)構(gòu)剛度，使上下部主體的結(jié)構(gòu)剛度及其變形特性趨于接近。

4）優(yōu)選轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時，介于建筑功能需要，在設(shè)置高位轉(zhuǎn)換時，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)還宜優(yōu)先選取不致引起邊柱或框支柱柱頂?shù)膹澗剡^大、柱的剪力過大的結(jié)構(gòu)形式，如帶支撐體系的桁架結(jié)構(gòu)和大范圍扁梁結(jié)構(gòu)等，在計算分析時，為避免發(fā)生脆性破壞，尚應(yīng)滿足其剛度和強(qiáng)度的要求。

5）計算符合實(shí)際。結(jié)構(gòu)計算時，務(wù)必把轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)列為整體結(jié)構(gòu)的一個重要組成部分，采用受力變形特征符合實(shí)際的計算模型，模擬三維空間，進(jìn)行正確的整體結(jié)構(gòu)分析和計算。

6）減少剛心與質(zhì)心距離。在滿足建筑使用功能前提下，結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件布置應(yīng)盡量達(dá)到對稱、均勻，減少剛心與質(zhì)心距離。

2 上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計與計算

在現(xiàn)行高層建筑中，結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層形式常見有梁式轉(zhuǎn)換、桁架式轉(zhuǎn)換、箱型轉(zhuǎn)換、巨型框架轉(zhuǎn)換和厚板轉(zhuǎn)換。其中梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的傳力形式主要為墻（柱）→轉(zhuǎn)換梁→柱（墻），結(jié)構(gòu)設(shè)計較為容易，具有傳力簡捷明確、構(gòu)造簡單、施工方便等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過初步分析，本工程為鋼筋混凝土框剪結(jié)構(gòu)體系，轉(zhuǎn)換形式鋼筋混凝土梁式轉(zhuǎn)換（梁上托柱），丙類建筑。根據(jù)文獻(xiàn)[4]所提供的信息，初步定義轉(zhuǎn)換梁截面尺寸為1 200 mm×1 200 mm，本工程內(nèi)力計算采用廣廈建筑結(jié)構(gòu)CAD17.0版GSSAP程序進(jìn)行。

2.1 結(jié)構(gòu)基本信息

結(jié)構(gòu)嵌固端：地下室底板所有樓層強(qiáng)制采用剛性樓板假定：實(shí)際；

地震設(shè)防烈度：6度計算地震作用的結(jié)構(gòu)阻尼比：0.05；

場地類別：Ⅱ類抗震等級：轉(zhuǎn)換梁三級，其他四級；

考慮偶然偏心：考慮計算扭轉(zhuǎn)的地震方向：雙向；

風(fēng)荷的基本風(fēng)壓：0.60 kN/m2地面粗糙度：B類；

風(fēng)作用方向：0，90，180，270連梁剛度折減系數(shù)：0.6；

中梁（H＜800 mm）剛度放大系數(shù)1.80；

中梁（H≥800 mm）剛度放大系數(shù)：1.30；

梁跨中彎矩放大系數(shù)：1.25梁扭矩折減系數(shù)：0.4；

恒荷載分項(xiàng)系數(shù)：1.2活荷載分項(xiàng)系數(shù)：1.4；

水平地震分項(xiàng)系數(shù)：1.3風(fēng)荷載分項(xiàng)系數(shù)：1.4；

混凝土強(qiáng)度等級：地下室和1～5層C35；6～10層C30；其他均為C25。

2.2 計算結(jié)果與分析處理

2.2.1 計算結(jié)果

據(jù)廣廈建筑結(jié)構(gòu)CAD試算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，超限警告主要有：

1）局部結(jié)構(gòu)層側(cè)向剛度小于相鄰上一層的70%。

2）局部結(jié)構(gòu)層層間位移大于該樓層兩端平均值1.2倍。

3）扭轉(zhuǎn)第1周期/平動第1周期大于90%。

4）轉(zhuǎn)換梁超筋，抗剪能力不足。

2.2.2 原因分析

通過3.2.1的計算結(jié)果可知結(jié)構(gòu)剛度不滿足承受外力（地震作用和風(fēng)作用）的能力，轉(zhuǎn)換梁受載能力不滿足設(shè)計要求，主要原因：

1）從圖2可以看出，建筑布置為典型的一梯四戶，結(jié)構(gòu)平面中部設(shè)置電梯和樓梯等公共空間，形成南北兩端開間大，中間小布局，結(jié)構(gòu)最大長度與最小長度比值為4，根據(jù)現(xiàn)行（GB 50011-2010）《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》可定義為凹凸不規(guī)則，削弱了結(jié)構(gòu)的整體剛度。

2）地下室頂板設(shè)置轉(zhuǎn)換大梁，使該樓層豎向構(gòu)件有別于地下室，剛度發(fā)生突變，設(shè)置轉(zhuǎn)換樓層剛度與相鄰上一層剛度比較突變明顯。

3）結(jié)構(gòu)平面布置中，北邊剪力墻布置相對集中，且建筑大戶型均布置在北邊，結(jié)構(gòu)南北受荷不均勻，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛心和質(zhì)心偏心距增大。

4）轉(zhuǎn)換梁主要承受上部樓層經(jīng)框架柱傳遞豎向荷載，集中荷載較大，一般情況下，轉(zhuǎn)換梁、柱節(jié)點(diǎn)中的不平衡彎矩通過相交于該節(jié)點(diǎn)的梁、柱剛度進(jìn)行分配，轉(zhuǎn)換梁兩端柱子承受的軸力和彎矩較大，剪力較小，而梁兩端和跨中的彎矩、剪力均很大。本工程中初步計算結(jié)果中，兩端柱子軸力6 328 kN，柱根彎矩3 056 kN·m，梁端彎矩2 819 kN·m，跨中彎矩5 055 kN·m，梁剪力2 450 kN，相對一般梁來說，轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生不利非常明顯。

2.2.3 處理措施

經(jīng)過以上分析，結(jié)合2.2設(shè)計原則，對剪力墻和梁柱作了整體調(diào)整，主要調(diào)整：

1）1~5層外立面框架梁由200×500加大至250×600；樓梯和電梯部分剪力墻厚度由200加厚至250，梁由200×500加大至250×700；在不影響建筑使用功能的情況下，盡量加大連梁的高度，使縱向剛度有所提高。同時，由于上部幾層框架梁和轉(zhuǎn)換梁的協(xié)同作用，共同分擔(dān)由上部結(jié)構(gòu)傳遞下來的外部荷載，從而減小轉(zhuǎn)換梁的內(nèi)力，使結(jié)構(gòu)受力較為均勻合理。

2）北邊部分剪力墻作適當(dāng)連梁開洞處理，加長南邊剪力墻的長度，整個結(jié)構(gòu)x方向剪力墻也做了適當(dāng)調(diào)整，使結(jié)構(gòu)的剛心和質(zhì)心偏心距減少，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗扭剛度，扭轉(zhuǎn)變形減少。同時，使各層的層間位移角得到了有利的調(diào)整。

3）地下室柱子和梁截面作了適當(dāng)調(diào)整。調(diào)整至轉(zhuǎn)換層上下部主體結(jié)構(gòu)的剛度及變形特性盡可能相同，有助于提高整體結(jié)構(gòu)抗震能力。

通過以上調(diào)整，總體結(jié)構(gòu)計算滿足相關(guān)規(guī)范要求，最終轉(zhuǎn)換梁確定截面尺寸為1 200×1 250，相對初步定義相差不大，滿足建筑地下室凈空要求，減少了地下室開挖深度，得到一定經(jīng)濟(jì)效益。

除以上的計算調(diào)整外，考慮到轉(zhuǎn)換梁的不利特性，結(jié)構(gòu)構(gòu)造上采取一定措施，轉(zhuǎn)換梁四周板厚為160，這些板配筋均為雙層雙向拉通布置，箍筋由計算要求[10@100加強(qiáng)至[12@100，各層對于沒有雙向約束剪力墻上設(shè)置暗梁及暗柱，形成剪力墻周邊的約束構(gòu)件?？紤]到轉(zhuǎn)換梁承受上部集中荷載較大，還對轉(zhuǎn)換梁與柱交接處的混凝土局部受壓承載力進(jìn)行驗(yàn)算，保證結(jié)構(gòu)安全可靠。

3 結(jié)語

綜上所述，通過實(shí)例分析并結(jié)合設(shè)計原則，可得出以下結(jié)論：

1）轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的高層建筑受力復(fù)雜，在嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)剛度比前提下，應(yīng)采取有效的結(jié)構(gòu)構(gòu)造加強(qiáng)措施。在當(dāng)代高層建筑建設(shè)中，采用轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)是解決建筑功能多樣性和空間多變性的一種行之有效的方法。

2）在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時，要概念明確，思路清晰，針對梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，利用平面和空間有限元程序進(jìn)行分析，充分考慮結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的協(xié)同作用，不能盲目的加大梁截面。

3）梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)換梁的設(shè)計實(shí)際上最主要滿足其抗剪要求，而對于正截面承載能力，由于其截面面積較大，一般情況下，抵抗彎矩能力是富余的，在現(xiàn)行規(guī)范中也有比較嚴(yán)格的要求。

[1]JGJ 3-2011，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[2]GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[3]唐興榮.高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工[M].第2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社.

[4]張維斌.鋼筋混凝土帶轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計釋疑及工程實(shí)例[M].第1版.北京：中國建筑工業(yè)出版社.

[5]傅學(xué)怡.帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計建議[J].建筑結(jié)構(gòu)，1999（02）：28-42.

[6]婁宇.高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和發(fā)展[J].建筑結(jié)構(gòu)，1997（01）：22-28.

TU973+.3

A

1673-1093（2015）06-0076-03

趙京江（1982），男，天津市人，畢業(yè)于河海大學(xué)，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師，研究方向：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計。

10.3969/j.issn.1673-1093.2015.06.019

2015-02-24；

2015-03-01