探索超限高層建筑主次梁轉換層結構的設計

馬鑫 陸俊虎

前言

當前，超限高層建筑已經成為城市綜合實力的象征。因城市進程不斷加快，城市人口不斷增多，城市可利用土地越發稀少，為此，建筑逐漸向空中發展，以此滿來足不斷增多的人口需求，因此，超限高層建筑逐漸成為城市建設重點[1]。在超限高層建筑設計中，因超限問題，工程結構較普通建筑更復雜，對此，在工程設計中，設計人員需要考慮各個方面，嚴謹分析結構各部位受力情況，研究相關性能參數的選取問題，保障建筑結構設計的安全性、可靠性，為保證建筑工程的安全做充分的準備。

1 主次梁轉換層結構的概念與特點

一般來講，主次梁轉換層結構是超限高層建筑在使用功能上上下部結構差異性較大，樓層上下部的結構存在明顯差異，需通過梁進行轉換設計，滿足上下層各自的使用功能。在主次梁轉換層結構中，依照結構功能的差異，可將其分為以下幾種類型：①上層與下層結構構件轉換。該類型轉換層多用于剪力墻結構、框架-剪力墻結構中，通過這種轉換，將上下部豎向構件調整，以此創造一個較大的內部空間。②轉換層上層與下層的構件位置、軸線改變。該種模式的應用，上下部結構形式不變，但是，能夠擴大下層柱間距，形成大柱網等。就是說，在上部樓層應用此種結構轉換模式，可以改變建筑工程結構構件位置，將柱網軸線與上部樓層軸線錯開。

在主次梁轉換結構中，上部結構的巨大豎向荷載，直接為轉換結構構件帶來較大應力。對此，在結構轉換構件的設計中，設計人員應重視豎向荷載帶來的應力，以此保障工程整體質量。通常情況下，轉換結構構件的跨度大于上部結構跨度的數倍，對此，設計人員應嚴格控制結構構件的豎向撓度，保障工程設計的質量，另外，在轉換層結構施工中，連續施工的強度較大，且施工過程較為復雜、難度較大，對此，施工企業應在前期加強培訓，提高施工人員專業水平與素養，使其規范施工。另外，在超限高層建筑中，建筑結構中設置了轉換層，影響了建筑工程的均勻性，力的傳遞的轉變，使得轉換層結構設計與工程普通結構的設計存在差異。

2 主次梁轉換層結構的選型與結構布置

2.1 框架-剪力墻結構

在超限高層建筑設計中，因轉換層對空間的需求，設計人員可直接采用框架-剪力墻結構。在建筑中層采用剪力墻結構過渡，使高樓層的內力傳遞至轉換層。因此，在超限高層主次梁轉換結構設計中，框架剪力墻結構最為適當。另外，在主次梁轉換層結構設計中，若采用其他轉換形式，傳力路線質量大，受力復雜，轉換層附近的構件受到影響，應力集中存在問題，并且，工程造價也會相應增加。對此，在一般超限高層建筑設計中，多采用框架-剪力墻結構，在采用梁轉換過程中，多采用主次梁轉換。

2.2 轉換梁結構設計

在超限高層建筑中，采用主次梁轉換結構，具有優勢較多，如：在施工過程中，相對于其他結構施工，施工過程明顯簡單、受力明確。在設計施工中，開設的洞口多是轉換梁受力最小部位，直接滿足了建筑工程管線布設，提高了建筑工程使用。另外，在轉換梁結構設計中，應具體工程具體設計，有效保障工程的穩定性，提高建筑工程的質量與安全。

3 主次梁轉換在某超限高層工程建筑中的應用概況

在某建筑工程中，預計總建筑面積為125458m2，其中，地上工程面積為112521m2，地下工程面積為12952m2。依照規劃局與開發商的共同要求，此次建筑工程以混凝土框架剪力墻結構為主，樓層高125m，超過建筑規定，塔樓立面為不規則曲面，凹凸不規則，建筑整體重心、形心偏移，在豎向荷載作用下，有傾覆趨勢。塔樓平面為花生形狀，核心筒為狹長形，長寬比為3.3：1，結構X、Y方向的剛度相差較大，抗扭剛度不高。在此項工程建筑中，共包含了地下兩層與地上35層建筑，地下兩層主要為備用房與車庫，第一層是商場，二層、三層為辦公樓，第四層主要為會所，上層均為住宅層。為滿足底部四層的使用空間，1到4層采用V形斜柱，平面內傾斜角為17°，四層之上采用正常建筑，對此，為提高工程整體質量，在第四層設置主次梁轉換結構。

4 工程結構具體分析

在本次建筑工程中，主次梁轉換結構設置在第四層，主次梁轉換層受力明確，施工簡單。主次梁轉換層高為5.7m，主次梁最大截面為1300m×2800mm，其中，轉換主梁截面為800mm×2500mm，轉換次梁截面為 600mm×2200mm，800mm×2200mm，轉換層板厚 200mmm，轉換層下層板厚度為150mm，轉換梁需要承擔上部剪力墻的力，混凝土等級要求較高，為 C45。

因本次建筑工程存在不規則扭轉、V型柱、高位轉換、樓層較高等超限情況，對工程進行超限專項審查后，相關人員將工程抗震性能的目標定位C級，并且，主次梁轉換層厚度應達到工程規定厚度。在抗震設計中，地震加速度值0.1g，工程要求應重現100年基本風壓值，地面粗糙度至少達到B類，建筑體形系數應達到1.4。在超限高層建筑設計中，設計人員可利用PMSAP來分析梁板應力，以此設計結構自振周期、剪重比等相關參數。

在高層建筑施工中，下部樓層的側向剛度應大于上部樓層，否則，下部樓層將出現變形，并形成薄弱層，為工程帶來隱患，為避免該類型隱患出現，國家在《高層建筑混凝土結構技術規程》中明確規定，下部樓層的側向剛度不小于上部樓層的70%，或者下部樓層的側向剛度不小于其上相鄰三層樓層間側向剛度的80%。在本案例工程的轉換層結構設計中，設計人員應注意，四樓轉換層上一層的剪力墻厚度至在200～300mm之間，混凝土強度等級達到C40；對于主次梁轉換層及以下工程結構，剪力墻的厚度應高于700mm，混凝土等級應達到C60，才能保障工程整體質量與壽命。

另外，《高層建筑混凝土結構技術規程》中明文規定，當底部空間層數大于1層時，轉換層上下部結構的等效側向剛度（e）比宜接近于1，非抗震時期，e≤2，抗震時期，e≤1.25。在該項工程建設中，主次梁轉換層與上部結構的等效側向剛度比e在X方向為0.9031，Y向的e為0.9124，符合《高規》中規定。

5 超限高層建筑主次梁轉換層結構設計的關鍵問題

在本次工程的轉換層設計中，設計人員嚴格遵守我國在抗震設計中的法律規范，針對性設計，保障工程質量。在主次梁轉換層結構設計中，應嚴格遵循以下抗震措施。

（1）設計人員應保障，大空間層需求的裙房達到足夠剛度。并且，為避免工程出現薄弱層，設計人員應嚴格控制四層轉換層上部結構與下部結構間的側向剛度。在抗震設計中，V型柱是工程結構的關鍵構件，依照性能化目標，進行中震彈性設計，中震組合下，柱頂最大應力比0.81，柱底應力比為0.58。在箱形截面內灌注混凝土，能夠有效降低V型柱的軸壓應力。嚴格依照《高規》中相關規定，保障本次建筑中的轉換層上部結構與下部結構的e在1.0左右。

（2）提高主次梁轉換層整體結構的剛度。在超限高層建筑結構設計中，轉換層的整體結構必須符合設計規范，強化轉換層平面樓板的側向剛度，提高轉換層整體結構的強度。在本次工程轉換層設計中，為保障工程質量，應加強轉換層上下兩層結構的平面內剛度，結構布置應左右對稱，在薄弱位置加強配筋與厚度。并且，設計人員應通過工程經驗、計算等方式，積極了解轉換層設計中的薄弱處，通過增加厚度、配筋等形式，提高工程整體質量。

（3）控制主次梁節點，保障整體建筑的穩定性。在工程建筑設計中，為保障工程抗震能力達到項目要求，應合理設計主次梁的節點，提高工程整體質量。通過計算，明確相應抗震等級地震作用及風荷載下的位移及周期要求，以此設計主次梁節點，提高建筑工程的抗震能力，控制轉換層下部與上部間的側向剛度，控制剪力墻的質量，提高工程整體性。

（4）控制主次梁強度。依照工程建設部門相關規范，設計主次梁的配筋率，提高主次梁轉換結構的抗傾覆性。同時，為提高主次梁的整體強度，提高配筋率的同時，選擇C45的混凝土。

6 總結

在我國進入21世紀之后，我國建筑行業進入了快速發展時期，超限高層建筑在我國城市建設逐漸增多，并成為城市標志建筑物，為保障高層建筑的抗震性、功能、質量與壽命等，主次梁結構轉換層得到廣泛應用。在超限高層建筑中的主次梁轉換層結構設計中，不僅要重視主次梁結構的選型、布置，還應嚴格依照設計規范，控制主次梁的配筋率、節點等，提高提高主次梁轉換層整體結構的剛度，使超限高層建筑的穩定性達到規范標準。