高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

馮豪

摘要：梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)是目前高層建筑中使用最多的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式，文章結(jié)合工程實(shí)例，探討了梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)．以及構(gòu)件設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：高層建筑；梁式轉(zhuǎn)換層；框支柱設(shè)計(jì)

1前言

近年來(lái)，隨著城市建設(shè)的日新月異，各種功能多樣化、綜合化、全面化的，體型復(fù)雜化的高層建筑成為發(fā)展趨向。梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)以其施工方便、傳力直接、明確和清楚等優(yōu)點(diǎn)，已作為實(shí)現(xiàn)垂直轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)形式在高層建筑中被廣泛應(yīng)用。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的特點(diǎn)

轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件需要承受其上部結(jié)構(gòu)所傳下來(lái)的巨大豎向荷載或懸掛下部結(jié)構(gòu)的多層荷載，使得轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力很大，豎向荷載成了控制轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)的主要因素。轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件通常具有數(shù)倍于上部結(jié)構(gòu)的跨度，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件的豎向撓度成為嚴(yán)格控制的目標(biāo)。因此為保證轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度和剛度，致使結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸不可避免地高而大。

結(jié)構(gòu)中由于設(shè)置了轉(zhuǎn)換層，沿建筑物高度方向剛度的均勻性會(huì)受到很大的破壞，力的傳遞途徑有大的改變，為豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)，這決定了轉(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)。豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)的定義見(jiàn)抗規(guī)第3．4．2條規(guī)定，豎向不規(guī)則的類型見(jiàn)表1。

表1 豎向不規(guī)則的類型

不規(guī)則類型 定義

側(cè)向剛度不規(guī)則 該層的側(cè)向剛度小于相鄰上一層的70%，或小雨其上相鄰三個(gè)樓層側(cè)向剛度平均值的80%；除頂層外，局部收進(jìn)得水平向尺寸大于相鄰下一層的25%

豎向抗側(cè)力構(gòu)建不連續(xù) 豎向抗側(cè)力構(gòu)建（柱、抗震墻、抗震支撐）的內(nèi)力由水平轉(zhuǎn)換構(gòu)建（梁、析架等）向下傳遞

樓層承載力突變 抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的層間受剪承載力小于相鄰上一樓層的80%

3轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)布置

底部帶轉(zhuǎn)換層的建筑結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層上部的部分豎向構(gòu)件不能直接連續(xù)貫通落地，因此，必須設(shè)置安全可靠的轉(zhuǎn)換構(gòu)件。按現(xiàn)有的工程經(jīng)驗(yàn)和研究結(jié)果，轉(zhuǎn)換構(gòu)件可采用轉(zhuǎn)換大梁、析架、空腹析架、斜撐、箱形結(jié)構(gòu)以及厚板等形式。

由于轉(zhuǎn)換厚板在地震區(qū)使用經(jīng)驗(yàn)較少，可在非地震區(qū)和6度抗震設(shè)計(jì)時(shí)采用，對(duì)于大空間地下室，因周圍有約束作用，地震反應(yīng)小于地面以上的框支結(jié)構(gòu)，故7度，8度抗震設(shè)計(jì)時(shí)的地下室可采用厚板轉(zhuǎn)換層。

落地剪力墻和框支柱的布置對(duì)于防止轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)在地震中倒塌將起十分重要的作用。

高規(guī)規(guī)定了幾條重要原則：帶轉(zhuǎn)換層的簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)的內(nèi)筒應(yīng)全部上、下貫通落地并按剛度要求增加墻厚；框支剪力墻結(jié)構(gòu)要有足夠的剪力墻上、下貫通落地并按剛度比要求增加墻厚；長(zhǎng)矩形平面的框支剪力墻結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)計(jì)時(shí)，其落地剪力墻的間距按原規(guī)程適當(dāng)加嚴(yán)，比原規(guī)程增加了限制落地柱周圍的樓板不應(yīng)錯(cuò)層的規(guī)定。

這幾點(diǎn)的原則是防止轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)破壞的基本要求，特別是對(duì)于抗震設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，要求更加嚴(yán)格。

遵守這些原則就可控制剛度突變，減少內(nèi)力傳遞的突變程度縮短轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)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(cuò)層發(fā)生破壞。

框支剪力墻轉(zhuǎn)換梁上一層墻體內(nèi)不宜設(shè)邊門洞、中柱上方不宜設(shè)門洞。試驗(yàn)研究和計(jì)算分析說(shuō)明，這些門洞使框支粱的剪力大幅度增加，邊門洞小墻肢應(yīng)力集中，很容易破壞。此外，落地剪力墻和簡(jiǎn)體的洞口宜在墻體的中部，以便使落地剪力墻各墻肢受力(剪力、彎矩、軸力)比較均勻。

4 梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

4．1 框支柱的設(shè)計(jì)

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1．5O，1．25的調(diào)整放大系數(shù)：框支柱承受的地震剪力標(biāo)；隹值應(yīng)按下列規(guī)定采用：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：而當(dāng)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％。

4.2 框支梁的設(shè)計(jì)

框支梁截面尺寸一般由剪壓比控制，寬度要大于其上墻厚的2倍，且大于400mm；高度大于計(jì)算跨度的1／6。工程框支梁梁寬統(tǒng)一定為800mm。框支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(gè)復(fù)雜而重要的受力構(gòu)件，因而在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)留有較多的安全儲(chǔ)備，二級(jí)抗震等級(jí)的框支梁縱筋配筋率大于0．4％。框支梁在滿足計(jì)算要求下，配筋率大于0．8％?？蛑Я阂话銥槠氖芾瓨?gòu)件，梁中有軸力存在，因而應(yīng)配置足夠數(shù)量的腰筋。

4．3 轉(zhuǎn)換層樓板的設(shè)計(jì)

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；而在上部樓層，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。轉(zhuǎn)換層樓板承擔(dān)著完成上下部分剪力重分配的任務(wù)；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。

5設(shè)計(jì)實(shí)例

5．1 工程概況

某綜合大廈，總建筑面積為28000m2，地下室1層，地上22層。其中1—4層為商業(yè)樓層，1層層高是5.1 m ，2～4層層高均是4．2m，5～22層為住宅，層高均為3m。4層設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層兼設(shè)備層，轉(zhuǎn)換層以上為住宅樓(純剪力墻結(jié)構(gòu))，以下為框架一剪力墻結(jié)構(gòu)。該建筑位于六度抗震區(qū)，建筑場(chǎng)地為II類。

本工程采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPM—SATWE程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和受力分析。

5.2 梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

5．2．1 結(jié)構(gòu)平面布局為了提高其抗震能力，改善結(jié)構(gòu)的受力性能，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，在對(duì)有抗震設(shè)防要求的建筑進(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)，做成框支墻與落地剪力墻協(xié)同工作的受力體系。

該工程上部為純剪力墻結(jié)構(gòu)，底部為體型規(guī)則、簡(jiǎn)單的框架—— 剪力墻結(jié)構(gòu)。

南北向剛度中心與質(zhì)量中心偏差不超過(guò)2米，東西向完全對(duì)稱，為了增強(qiáng)抗扭效果，除核心筒外的其余剪力墻應(yīng)盡量沿周邊均勻、分散布置。

5．2.2 結(jié)構(gòu)豎向布置 高層建筑的豎向體型宜規(guī)則、均勻，避免有過(guò)大的外挑和內(nèi)收，可根據(jù)其建筑功能和結(jié)構(gòu)傳力的需要，沿高層建筑高度方向一處或多處?kù)`活布置；也可以按照建筑功能需要，在樓層局部布置轉(zhuǎn)換層。對(duì)于框支剪力墻結(jié)構(gòu)高層建筑7度區(qū)不宜在第五層以上設(shè)置轉(zhuǎn)換層，8度區(qū)不宜在第三層以上設(shè)置轉(zhuǎn)換層?？拐鹪O(shè)計(jì)的高層建筑結(jié)構(gòu)，其樓層側(cè)向剛度不宜小于相鄰上部樓層側(cè)向剛度的70％ 或其上相鄰三層側(cè)向剛度平均值的80％。

該工程的豎向布置設(shè)計(jì)遵循“強(qiáng)化下部，弱化上部”的原則。盡量減少轉(zhuǎn)換層上部剪力墻數(shù)目，控制剪力墻厚度。轉(zhuǎn)換層以下剪力墻中，核心筒部分的厚度取為40mm，其余部分的厚度取為35Omm。為了增強(qiáng)底部剛度，在底部增設(shè)部分剪力墻，且還要讓核心筒兩側(cè)各有一片剪力墻落地?？蛇x用C50混凝土，以提高底部柱、墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)。

5．2．3 抗震等級(jí)的確定抗震等級(jí)是根據(jù)建筑物設(shè)防烈度和建筑物使用功能的重要性確定的，根據(jù)《建筑抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB50223)的規(guī)定，建筑工程分為四個(gè)抗震設(shè)防類別：特殊設(shè)防類(甲類)、重點(diǎn)設(shè)防類《乙類)、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類(丙類)、適度設(shè)防類《丁類)。當(dāng)剪力墻轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)置在三層以上時(shí)，為了保證設(shè)計(jì)的安全性，框支柱、剪力墻底部加強(qiáng)部位的抗震等級(jí)應(yīng)提高～ 級(jí)。另外，在8度抗震設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)考慮豎向地震作用的影響。

按照現(xiàn)行規(guī)范，結(jié)合該工程的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，該工程各部位的抗震等級(jí)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1：

表1 抗震等級(jí)的設(shè)計(jì)

構(gòu)建名稱 梁、柱 剪力墻

框支梁、框支柱及1-6層與框支柱相連的框架梁 地下二層梁、柱 裙房及地下一層框架梁、柱 地下二層 地步加強(qiáng)部位

轉(zhuǎn)換層以上兩層以下 轉(zhuǎn)換層以上兩層以下 非底部加強(qiáng)部位

抗震等級(jí) 特一級(jí) 三級(jí) 一級(jí) 三級(jí) 特一級(jí) 一級(jí) 二級(jí)

5．3 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)

5．3．1 框支柱的設(shè)計(jì)框支柱的設(shè)計(jì)軸壓比控制著框支柱截面尺寸，而且還滿足剪壓比要求。高層建筑結(jié)構(gòu)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)，其配筋應(yīng)按放大后的彎矩設(shè)計(jì)值進(jìn)行。另外，框支柱承受的地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值如下：框支柱大于十根時(shí)，如果框支層為一至二層時(shí)，每層每根柱承受的剪力之和就取基底剪力的20％：如果框支層在三層及三層以上時(shí)，每層框支柱承受剪力之和則取基底剪力的3O％；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：而框支柱在十根及十根及十根以下時(shí)，如果框支層為一至二層時(shí)，每層第根柱承受的剪力至少取基底剪力的2％ ；如果框支層是有三層及三層以上時(shí)，各層每根柱所受的剪力則至少取基底剪力的3％。本工程的框支柱抗震等級(jí)為一級(jí)，軸壓比≤0．6，對(duì)部分因截面尺寸較大而形成的“短柱”要≤0．55。抗震等級(jí)為一級(jí)、二級(jí)的框支柱承受地震作用產(chǎn)生的軸力設(shè)計(jì)計(jì)算值分別乘以1．5O、1．25的調(diào)整放大系數(shù)。鋼筋配筋率方面，抗震等級(jí)為一級(jí)的≥ 1．2％ ，二級(jí)≥ 1.O％，三級(jí)時(shí)≥ O.9％。本工程根據(jù)SETWE軟件計(jì)算，最后采用柱截面為1．1m×（1．1～1．4)m不等。

另外，為了加強(qiáng)轉(zhuǎn)換層上下連接，框支柱上部墻體范圍內(nèi)的縱筋應(yīng)伸人上部墻體內(nèi)一層；其余在墻體范圍外的縱筋則水平錨人轉(zhuǎn)換層梁板內(nèi)，滿足錨固要求LaE。

5．3．2 框支梁的設(shè)計(jì) 為保證轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)的整體剛度，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的可靠性。在《鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》(JGJ3—91)中對(duì)轉(zhuǎn)換梁的最小高度和寬度作如下規(guī)定：框支梁截面的寬度要小于框支柱相應(yīng)方向的截面寬度，寬度要大于其上墻厚的2倍，且大于400mm：當(dāng)梁上托柱時(shí)，則要大于梁寬方向的柱截面寬度。進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，高度大于計(jì)算跨度的1／6：非抗震設(shè)計(jì)時(shí)，轉(zhuǎn)換梁高應(yīng)大于跨度的1／8。

框支梁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(gè)復(fù)雜而重要的受力構(gòu)件。因而，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)加大配筋率。一級(jí)抗震等級(jí)的框支梁縱筋配筋率要>0．6％，二級(jí)抗震等級(jí)的框支梁縱筋配筋率要>0.4％。本工程框支梁在滿足計(jì)算要求的情況下，縱筋配筋率不應(yīng)小于0．8％?？蛑Я阂话銥槠氖芾瓨?gòu)件，梁中有軸力存在，應(yīng)配置足夠數(shù)量的腰筋，即采用Ф16腰筋，沿梁高間距<200mm，并且可以錨入支座內(nèi)。由于框支梁受剪很大，為滿足“強(qiáng)剪弱彎”原則，需加強(qiáng)箍筋設(shè)置，箍筋采用Φ14@100的8肢箍全長(zhǎng)加密，配箍率達(dá)到1．53％。

5．3.3 轉(zhuǎn)換層樓板厚度確定轉(zhuǎn)換層樓板是主要要傳力構(gòu)件，承擔(dān)著完成上下部分剪力重分配的任務(wù)。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)框支層樓板應(yīng)進(jìn)行截面尺寸的控制，并應(yīng)進(jìn)行抗剪截面驗(yàn)算、樓板平面內(nèi)受彎承載力驗(yàn)算以及構(gòu)造配筋要求，本工程轉(zhuǎn)換層采用C50混凝土，樓板厚度取值為200mm,實(shí)際配筋為Φ12×15O雙層雙向，樓板中鋼筋錨固在邊梁或墻體內(nèi)，與轉(zhuǎn)換層相鄰樓層的樓板也適當(dāng)加強(qiáng)，板厚采用15Omm，以協(xié)助轉(zhuǎn)換層樓板完成剪力重分配。

6結(jié)束語(yǔ)

隨著人們對(duì)高層建筑的功能要求趨向于多樣化、綜合化和全面化。梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)以其傳力直接、明確和清楚的優(yōu)點(diǎn)，在目前高層建筑中被廣泛使用。設(shè)計(jì)人員要注重概念設(shè)計(jì)，并在設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)查閱數(shù)據(jù)，反復(fù)比較調(diào)整，以得到最為合理的設(shè)計(jì)。

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請(qǐng)以PDF形式查看。