淺談梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與構(gòu)造要求

劉麗春　易義東

摘 要：由于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)置了轉(zhuǎn)換層，沿建筑物高度方同剛度的均勻性會(huì)受到很大的破壞，導(dǎo)致傳力路線曲折，決定了轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)不能以通常結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。本文介紹了梁式轉(zhuǎn)換層的主要結(jié)構(gòu)形式及受力特點(diǎn)，分析了梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與構(gòu)造要求。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)換層；受力特點(diǎn)；設(shè)計(jì)與構(gòu)造

1 梁式轉(zhuǎn)換層的主要結(jié)構(gòu)形式及受力特點(diǎn)

1.1 梁式轉(zhuǎn)換層的主要結(jié)構(gòu)形式

實(shí)際工程應(yīng)用中轉(zhuǎn)換梁的結(jié)構(gòu)形式有多種多樣，從跨數(shù)上，可分為單跨、雙跨及多跨;從上部墻體形式上，可分為滿跨和不滿跨、開(kāi)洞和不開(kāi)洞及開(kāi)門(mén)洞和開(kāi)窗洞；從轉(zhuǎn)換梁功能上，可分為托墻和托柱；從轉(zhuǎn)換梁形式上，可分為加腋和不加腋；從轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)采用材料上，又可分為鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土和鋼骨混凝土、鋼結(jié)構(gòu)等。

1.2 梁式轉(zhuǎn)換層的受力特點(diǎn)

梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)傳力途徑采用墻(柱)——轉(zhuǎn)換梁——柱(墻)的形式，具有傳力直接、明確和傳力途徑清楚的優(yōu)點(diǎn)，便于工程計(jì)算、分析和設(shè)計(jì)，且造價(jià)較節(jié)省。轉(zhuǎn)換梁具有受力性能好、工作可靠、構(gòu)造簡(jiǎn)單和施工方便的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)計(jì)算也相對(duì)容易。研究表明，作為梁式轉(zhuǎn)換層的主要受力構(gòu)件——轉(zhuǎn)換大梁，其受力形式與受力大小受上部結(jié)構(gòu)形式、轉(zhuǎn)換梁上下層相對(duì)剛度、轉(zhuǎn)換梁的位置等因素的影響。在這些因素影響下，帶有轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)在水平荷載下將表現(xiàn)出不同的受力性能。分析表明，無(wú)論轉(zhuǎn)換梁上部墻體的形式如何，只要墻體存在一定長(zhǎng)度，轉(zhuǎn)換梁中的彎矩就會(huì)較不考慮上部墻體作用的要小，相應(yīng)墻體下的轉(zhuǎn)換梁就有一段范圍內(nèi)出現(xiàn)受拉區(qū)。轉(zhuǎn)換梁的最終受力狀態(tài)由墻、轉(zhuǎn)換梁作為一個(gè)整體共同彎曲變形和拱的傳力作用綜合影響。

墻、轉(zhuǎn)換梁作為一個(gè)整體共同彎曲變形，轉(zhuǎn)換梁處于這整體彎曲的受拉翼緣，若單獨(dú)分析轉(zhuǎn)換梁，其所受的彎矩由于剪力墻的共同工作而大大降低，同時(shí)，由于處于受拉翼緣，應(yīng)力積分后轉(zhuǎn)換梁中就會(huì)出現(xiàn)軸向拉力。由于豎向傳力拱作用的存在，使上部墻體上的豎向荷載傳到轉(zhuǎn)換梁時(shí)，很大一部分荷載以斜向荷載的形式作用于梁上，若將這斜向荷載分解為垂直和水平等效荷載形式，則垂直荷載作用下的彎矩肯定要比不考慮墻體作用時(shí)要小，在水平荷載作用下，就形成了轉(zhuǎn)換梁跨中一定區(qū)域受軸向拉力，而支座區(qū)域受軸向壓力的現(xiàn)象。

2 梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與構(gòu)造要求

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。框支主梁除承受其上部剪力墻的作用外，還需要承受梁傳給的剪力，扭矩和彎矩，框支主梁易受剪破壞。這種方案一般不宜采用，但考慮到實(shí)際工程中會(huì)遇到轉(zhuǎn)換層上部剪力墻平面布置復(fù)雜的情況，B級(jí)高度框支剪力墻結(jié)構(gòu)不宜采用框支柱、次梁方案；A級(jí)高度框支剪力墻結(jié)構(gòu)可以采用，但設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)框支梁進(jìn)行應(yīng)力分析，按應(yīng)力校核配筋，并加強(qiáng)配筋構(gòu)造措施。對(duì)于有抗震設(shè)防要求的建筑，為了改善結(jié)構(gòu)的受力性能，提高其抗震能力，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)平面布置時(shí)，可以將一部分剪力墻落地，并貫通至基礎(chǔ)，做成落地剪力墻與框支墻與剪力墻協(xié)同工作的受力體系。

2.1 轉(zhuǎn)換梁的截面設(shè)計(jì)方法

普通梁截面設(shè)計(jì)方法。直接取用高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算分析程序(如TBSA, PKPM系列、TAT等)計(jì)算出的轉(zhuǎn)換梁內(nèi)力結(jié)果，按普通梁進(jìn)行受構(gòu)件承載力計(jì)算。

偏心受拉構(gòu)件截面設(shè)計(jì)方法。在《高層建筑混凝上結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中，規(guī)定"框支梁為偏心受拉構(gòu)件，按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定設(shè)計(jì)，即偏心受拉構(gòu)件進(jìn)行截面設(shè)計(jì)。

按偏心受拉構(gòu)件進(jìn)行截面設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是如何將有限元分析得到的轉(zhuǎn)換梁截面上的應(yīng)力換算成截面內(nèi)力，但這是一種比較麻煩的事情。分析表明，根據(jù)轉(zhuǎn)換梁的截面內(nèi)力(M,N)按偏心拉構(gòu)件進(jìn)行正截面承載力計(jì)算，根據(jù)(V)進(jìn)行斜截面受剪承載力計(jì)算。在沒(méi)有條件對(duì)梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析時(shí)，可采用有關(guān)表格計(jì)算轉(zhuǎn)換梁的截面內(nèi)力。

深梁截面設(shè)計(jì)方法。實(shí)際工程中轉(zhuǎn)換梁的高跨比h/1=1/8-1/6，因此轉(zhuǎn)換梁是一種介于普通梁和深梁之間的梁，尤其是框支轉(zhuǎn)換梁，其受力和破壞特征類似于深梁。當(dāng)轉(zhuǎn)換梁承托的上部墻體滿跨或基本滿跨時(shí)，轉(zhuǎn)換梁與上部墻體之間共同工作的能力轉(zhuǎn)強(qiáng)，此時(shí)上部墻體和轉(zhuǎn)換梁的受力如同一倒T形深梁，轉(zhuǎn)換梁為該組合深梁的受拉翼緣，跨中區(qū)存在很大的軸向拉力，此時(shí)轉(zhuǎn)換梁就不能按普通梁進(jìn)行截面設(shè)計(jì)，但如果將倒T形深梁的受拉區(qū)部分劃出來(lái)按偏心受拉構(gòu)件進(jìn)行截面設(shè)計(jì)，計(jì)算出的縱向受力鋼筋的配筋量偏少，不滿足承載力的要求。

根據(jù)圣維南原理，影響轉(zhuǎn)換梁受力特征的墻體高度應(yīng)和轉(zhuǎn)換梁的跨度有關(guān)，轉(zhuǎn)換梁跨度越大，上部墻體的高度就應(yīng)取得越高。分析表明:當(dāng)轉(zhuǎn)換梁承托的上部墻體滿跨或基本滿跨時(shí)，轉(zhuǎn)換梁與上部墻體之間共同工作的能力較強(qiáng)，此時(shí)上部墻體和轉(zhuǎn)換梁的受力特征如同一倒T形深梁，轉(zhuǎn)換梁為該組合深梁的受拉翼緣，跨中存在很大的軸向拉力，此時(shí)轉(zhuǎn)換梁宜按倒T形深梁進(jìn)行截面設(shè)計(jì)。

應(yīng)力截面設(shè)計(jì)方法。對(duì)轉(zhuǎn)換梁進(jìn)行有限元分析得到的結(jié)果是應(yīng)力及其分布規(guī)律，為能直接應(yīng)用轉(zhuǎn)換梁有限元法分析后的應(yīng)力大小及其分布規(guī)律進(jìn)行截面的配筋計(jì)算，假定：(1)不考慮混凝土的抗拉作用，所有拉力由鋼筋承擔(dān)；(2)鋼筋達(dá)到其屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。(3)受壓區(qū)混凝土的強(qiáng)度達(dá)到軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計(jì)方法的選擇。轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計(jì)方法的選擇與其受力性能和轉(zhuǎn)換層的形式相關(guān)。

托柱形式轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計(jì)。當(dāng)轉(zhuǎn)換梁承托上部普通框架時(shí)，在轉(zhuǎn)換梁常用截面尺寸范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)換梁的受力基本和普通梁相同，可按普通梁截面設(shè)計(jì)方法進(jìn)行配筋計(jì)算。當(dāng)轉(zhuǎn)換梁承托上部斜桿框架時(shí)，轉(zhuǎn)換梁將承受軸向拉力，此時(shí)應(yīng)按偏心受拉構(gòu)件進(jìn)行截面設(shè)計(jì)。

托墻形式轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計(jì)。當(dāng)轉(zhuǎn)換梁承托上部墻體滿跨不開(kāi)洞時(shí)，轉(zhuǎn)換梁與上部墻體共同工作，其受力特征與破壞形態(tài)表現(xiàn)為深梁，此時(shí)轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計(jì)方法宜采用深梁截面設(shè)計(jì)方法或應(yīng)力截面設(shè)計(jì)方法，目計(jì)算出的縱向鋼筋應(yīng)沿全梁高適當(dāng)分布配置。由于此時(shí)轉(zhuǎn)換梁跨中較大范圍內(nèi)的內(nèi)力比較大，故底部縱向鋼筋不宜截?cái)嗪蛷澠?，?yīng)全部伸入支座。當(dāng)轉(zhuǎn)換梁承托上部墻體為小墻肢時(shí)，轉(zhuǎn)換梁基本上可按普通梁的截面設(shè)計(jì)方法進(jìn)行配筋計(jì)算，縱向鋼筋可按普通梁集中布置在轉(zhuǎn)換梁的底部。

2.2 框支柱的設(shè)計(jì)與構(gòu)造要求

地震作用下框支柱內(nèi)力需調(diào)整:抗震設(shè)計(jì)時(shí)，框支柱的柱頂彎矩應(yīng)乘以放大系數(shù)，并按放大后的彎矩設(shè)計(jì)值進(jìn)行配筋;有地震組合時(shí)，一級(jí)、二級(jí)框支柱承受的地震作用產(chǎn)生的軸力設(shè)計(jì)計(jì)算值分別乘以1.50, 1.25的調(diào)整放大系數(shù);剪力調(diào)整:框支柱承受的地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按下列規(guī)定采用:框支柱的數(shù)目不多于10根時(shí)，當(dāng)框支層為1-2層時(shí)，每層第根柱承受的剪力應(yīng)至少取基底剪力的2%;當(dāng)框支層為3層及3層以上時(shí)，各層每根柱所受的剪力應(yīng)至少取基底剪力的3%;框支柱的數(shù)目多于10根時(shí)，當(dāng)框支層為1-2層時(shí)，每層每根柱承受的剪力之和應(yīng)取基底剪力的20%;當(dāng)框支層為3層及3層以上時(shí)，每層框支柱承受剪力之和應(yīng)取基底剪力的30%;框支柱剪力調(diào)整后，應(yīng)相應(yīng)調(diào)整框支柱的彎矩及柱端梁的剪力、彎矩，框支柱軸力可不調(diào)整。

框支柱全部縱向鋼筋配筋率，抗震等級(jí)一級(jí)時(shí)一不小于1.2%，二級(jí)時(shí)不小于1.0%,三級(jí)時(shí)不小于0.9%、四級(jí)及非抗震設(shè)計(jì)時(shí)不小于0.8%。縱向鋼筋間距抗震設(shè)計(jì)時(shí)不大于200mm，且不小于80mm，全部縱向鋼筋配筋率不宜大于4%?？蛑е拷顟?yīng)沿框支層全高加密。加密區(qū)體積配箍率抗震等級(jí)一級(jí)、二級(jí)不小于1.5%，三、四級(jí)時(shí)不小于1.0%;框支柱宜采用復(fù)合螺旋箍或井字復(fù)合箍，箍筋直徑不應(yīng)小于10mm，間距不小于1OOmm和6倍縱向鋼筋直徑的較小值。非抗震設(shè)計(jì)時(shí)，框支柱宜采用復(fù)合螺旋箍或井字復(fù)合箍，箍筋體積配箍率不宜小于0.8%，箍筋直徑不應(yīng)小于1Omm，間距不小于150mm?？蛑е?jié)點(diǎn)區(qū)水平箍筋原則上可同柱箍筋配置，當(dāng)框支梁、轉(zhuǎn)換梁腰筋配置及拉通可靠錨固時(shí)，可按構(gòu)造要求設(shè)置水平箍筋、拉筋。

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