張劍菲

摘 要：梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計是多功能高層建筑實現(xiàn)功能轉(zhuǎn)換中應(yīng)用的最廣泛的一種轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。本文先簡單介紹了梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計在國內(nèi)發(fā)展歷程和梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)在高層建筑中應(yīng)用的設(shè)計原則。最后，文中從結(jié)構(gòu)形式、受力機理以及設(shè)計要求三方面，對梁式轉(zhuǎn)換層的設(shè)計進行了詳細(xì)探討。

關(guān)鍵詞：高層建筑;梁式轉(zhuǎn)換層;結(jié)構(gòu)設(shè)計;設(shè)計原理;原理應(yīng)用

改革開來以來，我國城鎮(zhèn)化建設(shè)腳步一直在不停加快，城市人口也在快速增長，使得城市土地變得寸土寸金。于是，為了有效利用有限的城市土地資源，提高城市土地利用率，近幾年來，在城市建筑中，建筑結(jié)構(gòu)逐漸向高層建筑發(fā)展。并且，這種趨勢現(xiàn)在已經(jīng)變得越來越明顯，城市高層建筑高度越來越高，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，同時，高層建筑的使用功能也逐漸呈現(xiàn)出功能多樣化的發(fā)展趨勢。比如，在同一棟高層建筑內(nèi)，將建筑分成上中下三個不同的組成部分，上層為住宅功能區(qū)，中層為辦公功能區(qū)，下層為購物、餐飲功能區(qū)，徹底改變了以往一棟建筑只提供一種使用功能的結(jié)構(gòu)特點。而由于在同一棟建筑內(nèi)同時實現(xiàn)了多種不同使用功能，每一種使用功能對建筑物建筑結(jié)構(gòu)和建筑空間的要求都不一樣，因此，為了能夠更好的實現(xiàn)不同功能的轉(zhuǎn)換，需要在建筑物施工結(jié)構(gòu)設(shè)計中設(shè)置轉(zhuǎn)換層。目前，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用最廣泛的就是設(shè)計、計算以及施工都比較簡單的梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。

1轉(zhuǎn)換層概述

當(dāng)高層建筑底部帶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層時，轉(zhuǎn)換層上部的部分豎向構(gòu)件是不能連續(xù)貫通。因此，需要設(shè)計出合理的轉(zhuǎn)換構(gòu)件。通常轉(zhuǎn)換構(gòu)件主要包括轉(zhuǎn)換大梁、斜撐、箱形結(jié)構(gòu)以及厚板等。厚板轉(zhuǎn)換受地震影響大，使用時存在較大局限性;箱形轉(zhuǎn)換的優(yōu)點是轉(zhuǎn)換梁的約束性強，剛度大，整體性好，缺點是施工復(fù)雜，造價高。目前一般采用梁式轉(zhuǎn)換，即將上部剪力墻設(shè)于轉(zhuǎn)換梁上，再由轉(zhuǎn)換柱來支撐轉(zhuǎn)換梁。其優(yōu)點是傳力方向明確，設(shè)計和施工簡便，造價低。

2梁式轉(zhuǎn)換層的設(shè)計原則

2.1減少豎向構(gòu)件

在進行高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)該最大限度地控制好豎向構(gòu)件數(shù)量。高層建筑豎向構(gòu)件越多，需要進行轉(zhuǎn)換的豎向構(gòu)件就會越多，轉(zhuǎn)換層造成的剛度突變就越大，對結(jié)構(gòu)抗震就越不利。

2.2轉(zhuǎn)換柱、剪力墻對稱布置

在布置轉(zhuǎn)換柱與剪力墻時，應(yīng)該采用對稱布置的原則。轉(zhuǎn)換梁上方的轉(zhuǎn)換柱盡量布置在轉(zhuǎn)換梁的跨中位置，這樣當(dāng)轉(zhuǎn)換梁出現(xiàn)變形時，轉(zhuǎn)換柱所受到的影響減為最小。否則轉(zhuǎn)換柱在梁的帶動下，會出現(xiàn)較大變形，其剪切和彎曲應(yīng)力對轉(zhuǎn)換柱可能造成損害。

2.3強化轉(zhuǎn)換層下部主體結(jié)構(gòu)剛度

為保證下部大空間整體結(jié)構(gòu)有適宜的剛度、強度、延性和抗震性能，需要盡量強化轉(zhuǎn)換層下部主體結(jié)構(gòu)的剛度，適當(dāng)弱化轉(zhuǎn)換層上部的結(jié)構(gòu)剛度，以盡量保證轉(zhuǎn)換層上下部主體結(jié)構(gòu)的變形及剛度特征接近。通常可采用加大轉(zhuǎn)換層下部主體結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件的截面尺寸、提高其混凝土強度等級、增加剪力墻等方法，以此來強化下部主體結(jié)構(gòu)的剛度。但在采用增加剪力墻的方法來提高抗側(cè)剛度時，要注意整體剛度的均勻分布，保證質(zhì)量中心與剛度中心盡可能重合，避免由于兩者偏心引起的建筑結(jié)構(gòu)的整體扭轉(zhuǎn)。

2.4保證轉(zhuǎn)換層的剛度

轉(zhuǎn)換層的剛度達(dá)不到要求會影響建筑物的抗震效果，因此，帶轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中保證轉(zhuǎn)換層的剛度尤其重要。通常情況下，轉(zhuǎn)換梁截面高度不宜小于計算跨度的1/8，以有效保證轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力的合理分布，而且也可保證梁上剪力墻柱與轉(zhuǎn)換梁的受力性能。另外，轉(zhuǎn)換層樓板厚度適當(dāng)加厚，混凝土強度適當(dāng)提高，才能有效提高轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)剛度。

2.5轉(zhuǎn)換層位置避免過高

轉(zhuǎn)換層的位置較高時，易使框支剪力墻結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)換層附近的剛度、內(nèi)力和傳力途徑發(fā)生突變，并易形成薄弱層。如果必須將轉(zhuǎn)換層設(shè)置在高位時，需要對轉(zhuǎn)換層下部框支結(jié)構(gòu)相同效率的剛度進行有效控制，尤其要控制好軸向變形、剪切、彎曲等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛度，這種控制措施有利于降低層間內(nèi)力發(fā)生突變。另外，在對落地剪力墻的間距進行設(shè)計時，應(yīng)該比底層框支剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計更加嚴(yán)格。

2.6嚴(yán)格計算梁式轉(zhuǎn)換層

轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的重中之重，在對其實際受力變形狀態(tài)模型進行計算時，應(yīng)該采用三維空間整體結(jié)構(gòu)分析方法。必要時可采用有限元方法對轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)進行局部補充計算，此時轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)以上至少取兩層結(jié)構(gòu)進入局部計算模型，并注意模型邊界條件符合實際工作狀態(tài)。

3梁式轉(zhuǎn)換層的設(shè)計要點

3.1轉(zhuǎn)換梁的設(shè)計

（1）由于上部荷載作用點或荷載作用線經(jīng)常與轉(zhuǎn)換梁截面中心線不重合，使得轉(zhuǎn)換梁產(chǎn)生扭矩，而梁的抗扭承載力較低，因此設(shè)計時不僅要通過計算來確定抗扭承載力是否能滿足，還應(yīng)在設(shè)計之初就盡量使兩者重合，有條件的情況下可設(shè)置雙向轉(zhuǎn)換梁來平衡扭矩。（2）轉(zhuǎn)換梁截面尺寸一般由剪壓比控制，寬度不小于其上墻厚的2倍，且不小于400mm;高度不小于計算跨度的1/8。（3）轉(zhuǎn)換梁受力巨大且受力情況復(fù)雜，它不但是上下層荷載的傳輸樞紐，也是保證框支剪力墻抗震性能的關(guān)鍵部位，是一個復(fù)雜而重要的受力構(gòu)件，因而在設(shè)計時應(yīng)留有較多的安全儲備，轉(zhuǎn)換梁上、下部縱向鋼筋的配筋率除滿足計算要求外，還應(yīng)滿足《高規(guī)》最小配筋率的要求。（4）轉(zhuǎn)換梁受剪很大，在豎向荷載的作用下，轉(zhuǎn)換梁的梁端最先受到破壞，而且對于這樣的抗震重要部位，更應(yīng)強調(diào)“強剪弱彎”原則，在縱筋已有一定富余的情況下，梁端箍筋更應(yīng)加強。轉(zhuǎn)換梁在滿足計算要求的前提下，梁端箍筋加密區(qū)的配箍《高規(guī)》有明確規(guī)定。（5）轉(zhuǎn)換梁一般為偏心受拉構(gòu)件，梁中有軸力存在，因而應(yīng)配置足夠數(shù)量的腰筋。腰筋直徑不小于16mm，沿梁高間距不大于200mm，并且應(yīng)可靠錨入支座內(nèi)。

3.2轉(zhuǎn)換柱的設(shè)計

（1）轉(zhuǎn)換柱截面尺寸主要由軸壓比控制并應(yīng)滿足剪壓比要求。為保證轉(zhuǎn)換柱具有足夠延性，對其軸壓比應(yīng)嚴(yán)格控制，對部分因截面尺寸較大而形成的“短柱”，軸壓比的控制應(yīng)更加嚴(yán)格。柱截面延性還與配箍率有密切關(guān)系，因而轉(zhuǎn)換柱的配箍率也比一般框架柱大得多。（2）作為重要的豎向構(gòu)件，為增加安全性，對轉(zhuǎn)換柱端剪力及柱端彎矩均要乘以相應(yīng)的增大系數(shù)。因為程序計算時，一般假定樓板剛度無限大，水平剪力按豎向構(gòu)件的剛度分配，而底部剪力墻剛度遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)換柱，使得轉(zhuǎn)換柱剪力非常小，然而考慮到實際工程中樓板的變形以及剪力墻出現(xiàn)裂縫后剛度的下降，轉(zhuǎn)換柱剪力就會增加，因而《高規(guī)》對轉(zhuǎn)換柱的剪力增大作了單獨規(guī)定。（3）為了加強轉(zhuǎn)換層上下連接，轉(zhuǎn)換柱在上部剪力墻體范圍內(nèi)的縱筋應(yīng)伸入上部墻體內(nèi)不少于一層;其余在剪力墻體范圍外的縱筋則水平錨入轉(zhuǎn)換層梁板內(nèi)，滿足錨固要求LaE。

3.3轉(zhuǎn)換樓板的設(shè)計

框支剪力墻結(jié)構(gòu)以轉(zhuǎn)換層為分界，上、下兩部分的內(nèi)力分布規(guī)律是不同的。在上部樓層，外荷載產(chǎn)生的水平力大體上按各片剪力墻的等效剛度比例分配;而在下部樓層，由于框支柱與落地剪力墻間的剛度差異，水平剪力主要集中在落地剪力墻上，即在轉(zhuǎn)換層處荷載分配產(chǎn)生突變。轉(zhuǎn)換層樓板承擔(dān)著完成主體結(jié)構(gòu)上、下部分剪力重分配的任務(wù)，并且由于轉(zhuǎn)換層樓板自身平面內(nèi)受力很大，而變形也很大，所以轉(zhuǎn)換層樓板必須有足夠的剛度作保證。

4 結(jié) 語

上世紀(jì)70年代開始，我國開始將高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)作為高層建筑設(shè)計的重要內(nèi)容，提升了建筑結(jié)構(gòu)控制的效益。結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換設(shè)計完成了對建筑空間的提升，實現(xiàn)了對常用結(jié)構(gòu)形式的靈活連接及轉(zhuǎn)變，對我國高層建筑安全指標(biāo)具有非常積極的意義。

參考文獻

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