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

王武君

摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，高層建筑已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)建筑領(lǐng)域的主要模式，為滿足人們生產(chǎn)生活需要，保障人們生活生產(chǎn)的安全性和穩(wěn)定性，當(dāng)前高層建筑采用多種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)施工，梁式轉(zhuǎn)換層就是其中之一。本文通過分析高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)原理，對(duì)梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行闡述，從而嘗試解決高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)難點(diǎn)，達(dá)到在高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中作出科學(xué)合理設(shè)計(jì)的目的。

關(guān)鍵詞：高層建筑;梁式轉(zhuǎn)換層;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);構(gòu)造要求

當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的形勢(shì)下，高層建筑已成為建筑領(lǐng)域主要類型，高層建筑由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜和具有一定高度，在外觀和施工技術(shù)上具有較大特殊性，因此在施工上要求更高。為提高高層建筑工程質(zhì)量，保證穩(wěn)定性和安全性，高層建筑施工更要注意受力問題，以避免自然災(zāi)害如地震對(duì)高層建筑造成破壞。而梁式轉(zhuǎn)換層作為高層建筑主要結(jié)構(gòu)形式之一，在提高建筑穩(wěn)定性和安全性上具有顯著優(yōu)勢(shì)。

1高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)

目前城市建筑出現(xiàn)大量高層建筑，且為了滿足城市地少人多的特點(diǎn)和建筑功能需要，高層建筑多采用下部（一般1～3層）為大開間商場(chǎng)或公共娛樂場(chǎng)所，上部為小開間民用住宅，不同功能相結(jié)合的商住高層建筑模式。由于下部大開間要滿足公共使用要求，一般為大柱網(wǎng)、少墻體、相對(duì)稀疏的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，上部相對(duì)結(jié)構(gòu)密集，因此容易造成上下部之間建筑結(jié)構(gòu)體系存在較大差異，造成受力不均衡，違背了常規(guī)豎向結(jié)構(gòu)布置原則，容易造成建筑穩(wěn)定性和安全性較差。因此，為提高高層建筑穩(wěn)定性和安全性，針對(duì)上下結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換的樓層設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換層這一形式的出現(xiàn)，滿足了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，主要有桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)、箱型梁轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)、梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)、厚板轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)等。其中梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)是高層建筑中使用最多的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式，在提高高層建筑穩(wěn)定性和安全性上發(fā)揮著重要作用。

2梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)形式

梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)通過利用下部轉(zhuǎn)換大梁，將上部剪力墻落在框支梁上，再由框支柱來支撐框支梁，經(jīng)由墻—梁—柱（墻）的傳力途徑緩解上下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同造成的受力不均衡的不良局面，提高高層建筑穩(wěn)定性和安全性。梁式轉(zhuǎn)換層具有傳力直接明確，施工較為簡(jiǎn)單，便于工程分析、計(jì)算和設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，被廣泛用于底部大空間框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系。但如果出現(xiàn)上下軸線布置錯(cuò)位，需要增加較多的轉(zhuǎn)換次梁，就容易造成空間受力復(fù)雜的不良局面。根據(jù)上部結(jié)構(gòu)形式和受力特點(diǎn)，梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式可分為以下八種形式。

3高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理

高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)原理主要有三維設(shè)計(jì)原理、有限元原理和協(xié)同工作原理3種。其中三維設(shè)計(jì)原理是首要遵循和選擇的設(shè)計(jì)原理，它利用CAD制圖的方法，通過使用2個(gè)以上不同力學(xué)模型，如空間桿—墻板元模型三維空間分析軟件，對(duì)梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和計(jì)算。它可以保證在高度精準(zhǔn)度的基礎(chǔ)上更有效地保障結(jié)構(gòu)分析，使設(shè)計(jì)人員可以準(zhǔn)確掌握結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力狀態(tài)，提高高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)科學(xué)性，從而避免結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在漏洞。有限元原理是在三維設(shè)計(jì)原理分析計(jì)算整體結(jié)構(gòu)后作為補(bǔ)充設(shè)計(jì)的一種設(shè)計(jì)原理，主要應(yīng)用于局部轉(zhuǎn)換層的有限元補(bǔ)充分析，如在拖柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)當(dāng)中的抽柱框架，就是有限元分析原理應(yīng)有的、具有代表性的分析對(duì)象，在計(jì)算方位時(shí)要注意，在樓層計(jì)算數(shù)量取2～4層時(shí)，必須保證上部樓高大于下部樓高，只有保證建筑結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到承受并傳遞荷載的水平，高層建筑的幾何構(gòu)造穩(wěn)定性水平才能得到有效提高。協(xié)同工作原則主要通過統(tǒng)一來自各方向的力，使建筑受力以及承載情況達(dá)到穩(wěn)定，確保建筑各部分可協(xié)同工作的一種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理。它是在三維設(shè)計(jì)原理、有限元原理2種設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)上起到全面綜合協(xié)調(diào)的一種設(shè)計(jì)原理，通過以上3種設(shè)計(jì)原理的綜合支撐，高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)才能達(dá)到科學(xué)、合理，確保了高層建筑的穩(wěn)定性和安全性。

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

4.1抗震等級(jí)的確定。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3—2010）相關(guān)規(guī)定，建筑工程分為4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）。以某棟22層高層建筑為例，該高層建筑分為地上20層，地下停車場(chǎng)1層，其中1～4層為商住樓層，1層層高5.1m，2～4層層高均為4.2m，5層及以上為住宅樓層，層高為3m。其中4層設(shè)置為結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層兼設(shè)備層，屬于工程轉(zhuǎn)換層，其以下樓層為框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，其以上樓層即5層及以上為純剪力墻結(jié)構(gòu)，因此該建筑屬于多種結(jié)構(gòu)形式共存的復(fù)雜高層建筑。它的抗震等級(jí)確定就應(yīng)該按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中對(duì)不同結(jié)構(gòu)體系和各部位不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件來確定抗震等級(jí)。以上面的22層高層建筑為例，它的轉(zhuǎn)換層設(shè)置在4層，已經(jīng)屬于高位轉(zhuǎn)換，那么就應(yīng)該在框支架抗震級(jí)別為2級(jí)，在剪力墻底部加強(qiáng)部位為3級(jí)的基礎(chǔ)上提高1級(jí)，以此來保證底部一致并加強(qiáng)底部抗震能力，即框支柱及落地剪力墻抗震提高至1級(jí)，轉(zhuǎn)換層（即第4層）及以下落地剪力墻和加強(qiáng)部位提高至2級(jí)。而轉(zhuǎn)化層以上（5層及以上）屬于純剪力墻結(jié)構(gòu)，其抗震級(jí)別應(yīng)定為4級(jí)。此類“高轉(zhuǎn)換”建筑類型在設(shè)計(jì)時(shí)，在設(shè)計(jì)軟件SATWE中有一個(gè)隱含功能，在第一項(xiàng)“參數(shù)輸入”中輸入“轉(zhuǎn)換層所在層號(hào)≥3”，就可使框支柱抗震等級(jí)自動(dòng)提高一級(jí)。4.2結(jié)構(gòu)平面布局。以22層建筑為例，該高層建筑5層及以上為純剪力墻結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行剪力墻平面布置上，要求必須符合相關(guān)抗震設(shè)防要求，達(dá)到東西向完全對(duì)稱，南北向的剛度中心和質(zhì)量中心偏差不能超過2m，以保證結(jié)構(gòu)偏心率較小。同時(shí)核心筒以外的其余剪力墻必須盡量沿周邊均勻、分散布置，使一部分剪力墻落地并貫通至基礎(chǔ)，使框支墻協(xié)同落地剪力墻受力，增強(qiáng)抗扭效果，還必須保證第一自振周期與平動(dòng)為主的周期比值為0.83，各層最大水平位移與層間位移比值不大于1.4。只有達(dá)到以上平面布置和扭轉(zhuǎn)控制要求，才能保證抗扭效果和高層建筑平面布局設(shè)計(jì)合理。4.3結(jié)構(gòu)豎向布置。高層建筑因結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別是有“高位轉(zhuǎn)換”轉(zhuǎn)換層的高層建筑對(duì)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度都有了專門規(guī)定：轉(zhuǎn)換層上下等效側(cè)向剛度比宜接近1，不應(yīng)大于1.3，必須遵循“強(qiáng)化下部，弱化上部”的原則。4.5合理設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換大梁。在對(duì)梁式轉(zhuǎn)換層實(shí)施設(shè)計(jì)過程中需要做到如下幾點(diǎn)要求：第一，轉(zhuǎn)換層樓板應(yīng)當(dāng)能夠有效傳遞上一層水平作用力至下一層抗剪結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)換層樓板不但負(fù)荷水平荷載，而且還承載部分豎向作用力，因此務(wù)必要確保樓板的縱向剛度與厚度符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)要求。第二，轉(zhuǎn)換層起到了傳遞上層水平荷載至下層抗剪結(jié)構(gòu)的作用，所以其承受著巨大的荷載，關(guān)系到整體建筑的抗震能力，具有不可或缺的作用。因此在具體設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，工作人員可以采取三維空間分析法來設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換大梁，將其作為桿件來看待，隨后基于對(duì)總體結(jié)構(gòu)的分析，結(jié)合轉(zhuǎn)換梁所承受的上層荷載來分析轉(zhuǎn)換層自身與其上下基層的平面有限元，進(jìn)而將梁的配筋確定下來。

5結(jié)語

總而言之，近幾年國(guó)家城市經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，高層建筑也越來越多，并且隨著其外觀造型藝術(shù)化以及功能多元化的發(fā)展，對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求也越來越高，越來越多超常規(guī)的結(jié)構(gòu)涌現(xiàn)出來。其中在該類超常規(guī)的混凝土結(jié)構(gòu)中，通常都具有自身重量大、高度高與跨度大等特征，所以對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求也較高。單純根據(jù)以往的設(shè)計(jì)方法與經(jīng)驗(yàn)無法保障整體結(jié)構(gòu)的安全，這就要求設(shè)計(jì)人員能夠正確掌握高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)形式，并結(jié)合實(shí)際情況來采取有效的設(shè)計(jì)措施，以切實(shí)有效地提高整體建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性，促使高層建筑行業(yè)健康發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

於斌.高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理及其應(yīng)用[J].居業(yè)，2015（10）：58-59，61.