導(dǎo)語：高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計思考一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：隨著社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，高層建筑已經(jīng)成為現(xiàn)代社會建筑領(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)計形式進(jìn)行設(shè)計施工，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)計的設(shè)計原理，對梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)特點和結(jié)構(gòu)形式設(shè)計要點進(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)計的重點難點，達(dá)到在高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計中作出科學(xué)合理設(shè)計的目的。

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

當(dāng)前社會經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的形勢下，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。

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）為大開間商場或公共娛樂場所，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、相對稀疏的結(jié)構(gòu)設(shè)計，上部相對結(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，針對上下結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換的樓層設(shè)計轉(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，施工較為簡單，便于工程分析、計算和設(shè)計的特點，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，梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式可分為以下八種形式（見圖1）。

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

高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層的設(shè)計原理主要有三維設(shè)計原理、有限元原理和協(xié)同工作原理3種。其中三維設(shè)計原理是首要遵循和選擇的設(shè)計原理，它利用CAD制圖的方法，通過使用2個以上不同力學(xué)模型，如空間桿—墻板元模型三維空間分析軟件，對梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和計算。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)計人員可以準(zhǔn)確掌握結(jié)構(gòu)的真實受力狀態(tài)，提高高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計效率和設(shè)計科學(xué)性，從而避免結(jié)構(gòu)設(shè)計存在漏洞。有限元原理是在三維設(shè)計原理分析計算整體結(jié)構(gòu)后作為補(bǔ)充設(shè)計的一種設(shè)計原理，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象，在計算方位時要注意，在樓層計算數(shù)量取2~4層時，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)計原理。它是在三維設(shè)計原理、有限元原理2種設(shè)計原理的基礎(chǔ)上起到全面綜合協(xié)調(diào)的一種設(shè)計原理，通過以上3種設(shè)計原理的綜合支撐，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)計與構(gòu)造要求

4.1抗震等級的確定。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個抗震設(shè)防類別：特殊設(shè)防類（甲類）、重點設(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。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)該在框支架抗震級別為2級，在剪力墻底部加強(qiáng)部位為3級的基礎(chǔ)上提高1級，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，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。而轉(zhuǎn)化層以上（5層及以上）屬于純剪力墻結(jié)構(gòu)，其抗震級別應(yīng)定為4級。此類“高轉(zhuǎn)換”建筑類型在設(shè)計時，在設(shè)計軟件SATWE中有一個隱含功能，在第一項“參數(shù)輸入”中輸入“轉(zhuǎn)換層所在層號≥3”，就可使框支柱抗震等級自動提高一級。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。主要做法有：一是增大底部剛度，除核心筒部分剪力墻在底部必須設(shè)置，且使盡可能多的剪力墻落地，必要時在可不增設(shè)的部分增設(shè)不伸上去的剪力墻。這可通過與建筑專業(yè)協(xié)商來實現(xiàn)。二是加大底部剪力墻厚度，減少底部剪力墻開洞，避免剛度削弱，主要是通過轉(zhuǎn)換層以下剪力墻核心筒部分厚度為0.4m，其余部分厚度為0.35m來實現(xiàn)。三是通過適當(dāng)減少轉(zhuǎn)換層上部剪力墻數(shù)目，以弱化上部剛度，從而減輕建筑物重量，減少框支梁承受的荷載。四是采用C40、C50等級的混凝土來提高底部柱、墻的混凝土強(qiáng)度等級，加強(qiáng)底部剪力墻厚度，起到“強(qiáng)化底部”剛度目的。高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計和應(yīng)用是一項龐大、復(fù)雜的設(shè)計工程，要求嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)、合理，必須要以建筑的穩(wěn)定安全為首要考慮要素，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中還必須高度重視高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計中要面臨的嵌固端設(shè)置、受力分析及超高問題等重點難點問題。只有在嚴(yán)格遵循三維設(shè)計原理、有限元原理和協(xié)同工作原理的基礎(chǔ)上開展結(jié)構(gòu)設(shè)計，認(rèn)真做好受力計算，充分考慮結(jié)構(gòu)平面布局、豎向布置和嵌固端的設(shè)置等重點難點，才能為高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計出科學(xué)合理的設(shè)計方案，為高層建筑順利施工提供最基本指導(dǎo)藍(lán)圖。4.4科學(xué)分析與計算轉(zhuǎn)換層。在進(jìn)行高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，設(shè)計人員可以采用平面有限元的設(shè)計軟件來科學(xué)分析和計算轉(zhuǎn)換層的局部作用力。在該環(huán)節(jié)中，要求確保轉(zhuǎn)換層的模式與相應(yīng)計算標(biāo)準(zhǔn)要求相符，并且判斷樓蓋平面的剛度是否對其造成影響。在具體計算剪力墻的過程中復(fù)雜性較強(qiáng)，上端剪力墻同時聯(lián)系著許多根支柱，如若沒能有效相連，就會導(dǎo)致實際計算的結(jié)果與實際相差甚遠(yuǎn)。因為梁柱是空間分析的基本單位，因此在對剪力墻實施分析過程中，可以將其當(dāng)作梁柱單元。在具體設(shè)計環(huán)節(jié)，設(shè)計人員可以將轉(zhuǎn)換梁布設(shè)于上層剪力墻與下層支柱間，實現(xiàn)剪力墻與轉(zhuǎn)換梁的相連，不可單純依靠上層剪力墻與底層柱和拐彎區(qū)域，需要有效結(jié)合底層柱、中間轉(zhuǎn)換梁以及上部剪力墻，以實現(xiàn)集中作用力，降低產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)問題的概率。4.5合理設(shè)計轉(zhuǎn)換大梁。在對梁式轉(zhuǎn)換層實施設(shè)計過程中需要做到如下幾點要求：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)計環(huán)節(jié)，工作人員可以采取三維空間分析法來設(shè)計轉(zhuǎn)換大梁，將其作為桿件來看待，隨后基于對總體結(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。4.6科學(xué)設(shè)計轉(zhuǎn)換梁。在實際設(shè)計過程中，可以通過計算減壓比將轉(zhuǎn)換梁的截面大小確定下來，并且盡量避免在轉(zhuǎn)換梁開洞，如果必須要開洞，那么需要控制洞口邊與支座邊的間距超出梁截面的高度。此外要想將實際抗剪能力提升，務(wù)必要加強(qiáng)處理洞口的上、下弦桿，并且需要確保轉(zhuǎn)換梁的混凝土強(qiáng)度等級不小于C30。在開展非抗震設(shè)計過程中，需要確保轉(zhuǎn)換梁的上、下縱向配筋率最小值不低于0.3%；在開展抗震設(shè)計過程中，需要確保一、二與特一級規(guī)范要求的最小配筋率分別大于0.5%、0.4%、0.6%。對于部分轉(zhuǎn)換梁支座偏心受拉的情況，則需要確保其上部縱向鋼筋需要由不少于1/2的沿梁貫通全場，且所有下部縱向鋼筋需要直接連通至柱內(nèi)。4.7框支柱的設(shè)計和構(gòu)造要求。通常而言，框支柱的截面大小主要是通過軸壓比來進(jìn)行計算。在開展抗震設(shè)計過程中，需要將系數(shù)最大值與框支柱的柱頂彎矩相乘，隨后將結(jié)果放大后實施配筋，同時要合理調(diào)整監(jiān)理，一旦框支柱數(shù)量在10根以下時，且同時在1~2層，各層支柱實際荷載的監(jiān)理需要不小于2%的基底剪力，如果超過3層，則需要不小于3%的基底剪力；如果框支柱超過10根，框支層為1~2層，則各層根柱荷載的剪力需要20%的基底層剪力，如果超過3層，則需要為30%的基底層剪力。在合理調(diào)整框支柱剪力后，還需要調(diào)整對應(yīng)的框支柱彎矩，不過禁止調(diào)整支柱軸力。如果抗震等級是1級，則需要確?？v向鋼筋配筋率超過1.2%；抗震等級為2級情況下，則需要超過1.0%；等級為4級時，則需要超過0.9%；4級以上時則需要超出0.8%。4.8框支梁的設(shè)計。在設(shè)計框支梁過程中，其荷載這比較復(fù)雜且巨大的作用力，可以將其看作上下層荷載的媒介力量，亦是確保框支剪力墻抗震能力的重要部分，所以其屬于一類較為復(fù)雜的受力構(gòu)件，在設(shè)計過程中需要具備豐富的設(shè)計儲備，要求設(shè)計人員將整體結(jié)構(gòu)計算出來后，還需要深入開展分析工作。相關(guān)研究顯示，對于框支梁來說，通常其屬于偏心受拉構(gòu)件，因此務(wù)必規(guī)范設(shè)計，建立成長設(shè)計最大數(shù)值以及截面高度。由于豎向荷載，梁端是最早受到破壞的部位，所以務(wù)必強(qiáng)化其構(gòu)造措施。對于部分鋼筋進(jìn)入支座的情況，要求配備穩(wěn)固的錨固。4.9樓板設(shè)計。因為轉(zhuǎn)換層的作用在于傳遞結(jié)構(gòu)上層的水平剪力至下部結(jié)構(gòu)，所以在平面中轉(zhuǎn)換層的樓面承受巨大作用力，樓板極易發(fā)生變形，所以必須對其實施加厚處理。一般需要使用180mm以上厚度的現(xiàn)澆板，以便在平面轉(zhuǎn)換層實施剪力重分配，同時強(qiáng)化轉(zhuǎn)換大梁的抗扭能力與側(cè)向剛度。值得注意是，盡量避免在轉(zhuǎn)換層樓板處開直徑較大的洞，如果要開洞，還需要將次梁暗梁設(shè)計在洞口周圍，盡量讓樓板開洞位置和外側(cè)邊具有較大距離，并且需要加強(qiáng)處理與轉(zhuǎn)換層距離較近的樓板。如果不得不將電梯間或樓梯間設(shè)置于大空間部位，還需要將鋼筋混凝土墻圍成筒體。

5結(jié)語

總而言之，近幾年國家城市經(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，對于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要求也越來越高，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，所以對高層建筑結(jié)構(gòu)的梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計要求也較高。單純根據(jù)以往的設(shè)計方法與經(jīng)驗無法保障整體結(jié)構(gòu)的安全，這就要求設(shè)計人員能夠正確掌握高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)特點和結(jié)構(gòu)形式，并結(jié)合實際情況來采取有效的設(shè)計措施，以切實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。

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作者:嚴(yán)揚(yáng) 單位:晉城市建筑設(shè)計院