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

【摘要】文章簡述了高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式和受力特點(diǎn)，并結(jié)合工程實(shí)例，分析了梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)

引言

梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)是一種利用下部的轉(zhuǎn)換大梁，將上部剪力墻落在框支梁上，再由框支柱支撐框支梁的結(jié)構(gòu)體系，由于其具有傳力路徑清晰快捷、工作可靠、構(gòu)造簡單、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，成為目前國內(nèi)應(yīng)用最廣的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)型式。

1、梁式轉(zhuǎn)換層的受力特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)形式

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，對一般結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換大梁（跨度小于12m），上部墻體考慮三層與考慮4 層、5 層內(nèi)力的設(shè)計(jì)控制內(nèi)力差異不大于5%，故在分析計(jì)算時(shí)可只考慮計(jì)算3 層。從計(jì)算分析不論轉(zhuǎn)換大梁上部墻體的形式如何，只要墻體有一定長度，轉(zhuǎn)換大梁中的彎矩就會(huì)比不考慮上部墻體作用要小，同時(shí)轉(zhuǎn)換大梁也會(huì)有一段范圍出現(xiàn)受拉區(qū)。實(shí)際工程中轉(zhuǎn)換梁的形式是各種各樣的。從跨數(shù)上，可分為單跨、雙跨及多跨；從轉(zhuǎn)換梁功能上，可分為托墻和托柱；從上部墻體形式上，可分為滿跨和不滿跨、開洞和不開洞及開門洞和開窗洞；從轉(zhuǎn)換梁形式上，可分為加腋不加腋；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。

根據(jù)實(shí)際工程中轉(zhuǎn)換梁的應(yīng)用形式、受力特點(diǎn)及其上部結(jié)構(gòu)形式，可將梁式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)類型歸納為圖l 所示幾種形式。

圖1梁式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)形式示意圖

2設(shè)計(jì)實(shí)例

2.1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)，建筑場地為II類。

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

2.2梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.2.1 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、簡單的框架——剪力墻結(jié)構(gòu)。

2.2.2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靈活布置：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。抗震設(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。

2.2.3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)提高一級(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)見表1：

表1抗震等級(jí)的設(shè)計(jì)

構(gòu)件名稱梁、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、柱地下二層底部加強(qiáng)部位非底部加強(qiáng)部位

轉(zhuǎn)換層以上兩層以下轉(zhuǎn)換層以上兩層以上

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)

2.3轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)

2.3.1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。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%：如果框支屢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30%i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屢時(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1.50、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)≥1.0%，三級(jí)時(shí)≥0.9%。本工程根據(jù)SETWE軟件計(jì)算，最后采用柱截面為1.1mX（1.1—1.4）m不等。

2.3.2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)，則要大于粱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。

2.3.3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)際配筋為巾12X 150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150mm，以協(xié)助轉(zhuǎn)換層樓板完成剪力重分配。

總之，在轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)中，正確選擇建筑抗震類別是轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，結(jié)合結(jié)構(gòu)布置，正確選擇各分部的抗震等級(jí)，構(gòu)件設(shè)計(jì)應(yīng)注重抗震延性設(shè)計(jì)的概念對主要構(gòu)件進(jìn)行加強(qiáng)是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

1《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010.

2《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010.

3《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB 50068-2001.