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摘要：本文介紹了梁式轉(zhuǎn)換層高層建筑作為一種對(duì)抗震不利的結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)布置、設(shè)置位置、剛度等方面的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并結(jié)合具體 工程實(shí)例，介紹了方案的選擇、結(jié)構(gòu)的布置、計(jì)算和設(shè)計(jì)等。...

梁式轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

薛婷怡  王全鳳

(華僑大學(xué)土木工程學(xué)院  362021)

1、引言

    現(xiàn)代高層建筑向體型復(fù)雜、功能多樣、造型新穎的方向發(fā)展，為了適應(yīng)建筑功能的變化，就必須在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的樓層設(shè)置水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件，即轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。

    梁式轉(zhuǎn)換具有傳力路徑清晰快捷，工作可靠，構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工方便等優(yōu)點(diǎn)，文獻(xiàn)…中統(tǒng)計(jì)的國(guó)內(nèi)l05棟采用轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的高層建筑中，有81棟采用了梁式轉(zhuǎn)換層，占總數(shù)的77％，說(shuō)明梁式轉(zhuǎn)換層是最常用的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式。

2、轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

    高層建筑轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)造成建筑物的剛度發(fā)生突變?cè)谒�平地震荷載作用下，轉(zhuǎn)換層上下容易形成薄弱環(huán)節(jié)，因此在進(jìn)行高層建筑轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)時(shí)，要注意下述要點(diǎn)：

    2.1應(yīng)協(xié)調(diào)上下部分結(jié)構(gòu)布置，盡量減少轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的數(shù)量

    上部豎向構(gòu)件盡可能置于轉(zhuǎn)換粱靠近支座處，以利于豎向力的傳遞。盡可能減少需結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的豎向構(gòu)件，直接落地的豎向構(gòu)件越多，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)越少，轉(zhuǎn)換層造成的剛度突變就越小，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震更有利。

    2.2盡量降低轉(zhuǎn)換層建筑中的高度，提高建筑整體穩(wěn)定性

    轉(zhuǎn)換層位置較高時(shí)，易使框支剪力墻結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)換層附近的剛度、內(nèi)力和傳力途徑發(fā)生突變，并易形成薄弱層，對(duì)抗震設(shè)計(jì)不利，其抗震設(shè)計(jì)概念與底層框支剪力墻結(jié)構(gòu)有較大差異。文獻(xiàn)[2]中規(guī)定，對(duì)部分剪力墻結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度在8度時(shí)不宜超過(guò)3層，7度時(shí)不宜超過(guò)5層，6度時(shí)可適當(dāng)提高。當(dāng)轉(zhuǎn)換層位于3層以上時(shí)，易使框支剪力墻的層間位移角在轉(zhuǎn)換層附近發(fā)生突變。當(dāng)必須采用高位轉(zhuǎn)換時(shí)，應(yīng)控制轉(zhuǎn)換層下部框支結(jié)構(gòu)的等效剛度，即考慮彎曲、剪切和軸向變形的綜合剛度，這對(duì)于減少轉(zhuǎn)換層附近的層間位移角及內(nèi)力突變是十分必要的，效果也很顯著。另外，對(duì)落地剪力墻間距的限制應(yīng)比底層框支剪力墻結(jié)構(gòu)更嚴(yán)格些。對(duì)平面為長(zhǎng)矩形的建筑，落地剪力墻的數(shù)目應(yīng)多于全部橫向剪力墻數(shù)目的一半。

    2.3保證結(jié)構(gòu)豎向剛度比

    為防止沿豎向剛度變化過(guò)于懸殊形成薄弱層，設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮使上、下層剛度比γ≤2，盡量接近，這樣才能保證結(jié)構(gòu)豎向剛度的變化不至于太大，使上柱有良好的抗側(cè)力性能，減少豎向剛度變化，有利于結(jié)構(gòu)整體受力，上下層剛度比計(jì)算式

    2.4強(qiáng)化下部，弱化上部

    為保證下部大空間整體結(jié)構(gòu)有適宜的剛度、強(qiáng)度、延性和抗震能力，應(yīng)盡量強(qiáng)化轉(zhuǎn)換層下部主體結(jié)構(gòu)剛度，弱化轉(zhuǎn)換層上部主體結(jié)構(gòu)剛度，使轉(zhuǎn)換層上下部主體結(jié)構(gòu)的剛度及變形特征盡量接近。可以采用的方法有以下幾種：

    （1）與建筑專(zhuān)業(yè)協(xié)商，使盡可能多的剪力墻落地，必要時(shí)甚至可在底部增設(shè)部分剪力墻(不伸上去)。除核心筒部分剪力墻在底部必須設(shè)置外，讓兩側(cè)各有一片剪力墻落地，這些無(wú)疑都大大增強(qiáng)了底部剛度；當(dāng)剪力墻較多道且考慮抗震時(shí)，橫向落地剪力墻數(shù)目與橫向墻總數(shù)之比不宜少于50％，非抗震時(shí)不宜少于30％；此外落地剪力墻的間距不宜大于24m；

    (2)加大底部剪力墻厚度。轉(zhuǎn)換層以下剪力墻中，核心筒部分的厚度取為600mm，其余部分的厚度取為600mm；

    (3)底部剪力墻盡量不開(kāi)洞或開(kāi)小洞，以免剛度削弱太大：

    (4)提高底部柱、墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)，采用CA5混凝土(框支柱采用C50混凝土)；

    (5)適當(dāng)減少轉(zhuǎn)換層上部剪力墻數(shù)目，控制剪力墻厚度，并可在某些較長(zhǎng)剪力墻中部開(kāi)結(jié)構(gòu)洞(結(jié)構(gòu)施工完畢后再用填充墻填實(shí))，以弱化上部剛度。

    2.5保證轉(zhuǎn)換層有足夠的剛度

    設(shè)計(jì)中應(yīng)保證轉(zhuǎn)換層有足夠的剛度，一般應(yīng)使梁高度不小于跨度的l/6，才能保證內(nèi)力在轉(zhuǎn)換層及其下部構(gòu)件中分配合理，轉(zhuǎn)換梁、剪力墻柱有良好的受力性能，能較好的起到結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換作用。

    2.6應(yīng)用鋼骨混凝土(SRE)

    新規(guī)范提倡采用鋼管柱、鋼骨柱、鋼骨梁等高強(qiáng)和延性好的結(jié)構(gòu)形式，轉(zhuǎn)換梁、框支柱采用鋼骨結(jié)構(gòu)可以取得良好效果。即減小轉(zhuǎn)換梁截面，減少轉(zhuǎn)換層應(yīng)力集中現(xiàn)象，使結(jié)構(gòu)的豎向剛度和質(zhì)量布置更均勻合理，減小框支柱的截面，便于建筑平面布置。

3、工程實(shí)例

    某高層建筑，建筑高度為40.9m，地上部分共l3層，一、二層為商業(yè)用房，三至十三層為住宅；地下室層高4.5m，二層商業(yè)用房部分：底層層高4.5m，二層層高4.45m，住宅部分層高為2.9m。此工程為商住合一的高層建筑，除了主體中間部分(電梯間、樓梯間等公共部分)布置成落地剪力墻核心筒，其他部分均不能采用一種結(jié)構(gòu)體系。必須在二層頂采用結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換。

    3.1結(jié)構(gòu)選型

    梁式轉(zhuǎn)換層優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)為設(shè)計(jì)和施工簡(jiǎn)單：轉(zhuǎn)換構(gòu)件受力明確，經(jīng)濟(jì)合理性強(qiáng)。內(nèi)部空間自由暢通，滿(mǎn)足管線(xiàn)布置要求，在轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)受力較小的部位可以開(kāi)洞口，容易滿(mǎn)足建筑對(duì)功能的要求。

    3.2轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)布置

    由于上部住宅空間劃分很多，所以在轉(zhuǎn)換層需要設(shè)置為二次轉(zhuǎn)換，即設(shè)置轉(zhuǎn)換主梁和次梁；同時(shí)設(shè)置了部分短肢剪力墻以滿(mǎn)足建筑功能要求，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)布置平面。

    3.3構(gòu)造措施

    首先對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，采用必要的結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施是保證抗震設(shè)防要求的重要手段。本工程采用了以下一些構(gòu)造措施：

    (1)加強(qiáng)底部框支層的剛度和延性。為了減小上下層剛度比，底部?jī)蓪雍诵耐布凹袅�墻厚度�?/span>300mm，3層以上為200mm；混凝土等級(jí)CA0，3層以上C35一C25。由于核心筒位置較偏，北向剛度較大，因此在底部南邊位置適當(dāng)部位增設(shè)了短肢剪力墻，使剛心和質(zhì)心盡量重合，也提高了底部剛度，使其滿(mǎn)足剛度比限值。

    (2)加強(qiáng)轉(zhuǎn)換層樓板的剛度及延性，確保水平荷載的可靠傳遞，樓板厚度取為180mm，雙層雙向配筋，每層每方向的配筋率為0.25％，加強(qiáng)了整體性。

    (3)短肢剪力墻盡量布置在框支柱上，避免在框支柱間設(shè)置剪力墻，墻肢可以長(zhǎng)一些，這樣大幅度降低了轉(zhuǎn)換大梁的彎矩，同時(shí)也降低梁高和配筋。選用形式上盡量采用L型、T型，避免使用一字型。

    (4)為加強(qiáng)轉(zhuǎn)換層的整體協(xié)調(diào)能力，在轉(zhuǎn)換層樓面上周邊及內(nèi)部非門(mén)洞口的地方做一些矮墻，墻高伸至窗臺(tái)底面。作為一種安全儲(chǔ)備，在計(jì)算中未考慮該段墻。

    3.4結(jié)構(gòu)計(jì)算

    本工程根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初步選定轉(zhuǎn)換梁截面，用SATWE進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體計(jì)算，得到轉(zhuǎn)換梁所受設(shè)計(jì)剪力后，按照該值不大于0.15fobh/O.85校核截面尺寸。轉(zhuǎn)換層的層高為4.45m，轉(zhuǎn)換梁的最大跨度為6.5m，大梁截面尺寸為450mm×1400mm，400mm×1400mm，450mm×l l00mm。梁寬度不小于上部墻體厚度(200mm)，梁高度大于梁跨度的l/6，均滿(mǎn)足要求。根據(jù)軸壓比確定框支柱主要截面尺寸700mm×900mm，900mm×900mm．850ram×850ram。對(duì)于復(fù)雜高層建筑，需要考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)，還要考慮模擬施工加載，計(jì)算發(fā)現(xiàn)梁一次加載在結(jié)構(gòu)的大部分位置配筋均多于分層加載配筋。采用SATWE整體分析求出結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移、層間相對(duì)位移、落地剪力墻所分擔(dān)的地震剪力，在整體分析的基礎(chǔ)上，取其內(nèi)力進(jìn)行人工配筋校核。根據(jù)上部結(jié)構(gòu)傳遞給轉(zhuǎn)換層的荷載，用FEQ對(duì)轉(zhuǎn)換層本身及其上下幾層進(jìn)行平面有限元分析，對(duì)于轉(zhuǎn)換梁、框支柱在整體計(jì)算的基礎(chǔ)上，采用FEQ進(jìn)行局部有限元精確分析，并按應(yīng)力校核配筋。對(duì)于短肢剪力墻的分析計(jì)算，可以參考文獻(xiàn)[8]，另外對(duì)于一些結(jié)構(gòu)構(gòu)件采取以下構(gòu)造措施：

    (1)框支梁的支座處及上部墻體開(kāi)門(mén)洞附近剪力均較大，箍筋應(yīng)加密配置；當(dāng)洞口靠近梁端時(shí)，也可采用梁端加腋提高其抗剪承載力，并加密配箍。

    (2)對(duì)于二次轉(zhuǎn)換梁，集中荷載引起應(yīng)力更加復(fù)雜，在相應(yīng)梁端處增設(shè)加腋，作為抗剪的安全儲(chǔ)備。如l9軸線(xiàn)梁在C軸兩側(cè)各有一個(gè)二次轉(zhuǎn)換梁，采用巨型加腋。

    (3)框支層上剪力墻洞l：1上部的連梁，設(shè)計(jì)上要保證強(qiáng)剪弱彎，在連梁內(nèi)充分配筋，配置交叉斜筋，保證梁內(nèi)塑性絞的出現(xiàn)。

4、結(jié)語(yǔ)

    通過(guò)實(shí)例分析并結(jié)合設(shè)計(jì)要點(diǎn)，可以得到以下幾點(diǎn)：

    (1)設(shè)計(jì)梁式轉(zhuǎn)換層的框支剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)，一方面，應(yīng)該掌握相關(guān)理論，運(yùn)用概念設(shè)計(jì)的方法，再用計(jì)算去驗(yàn)證概念設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)質(zhì)量進(jìn)一步提高。另一方面，合理的結(jié)構(gòu)平面和豎向布置可以從整體上形成良好的抗震體系，保證建筑物的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

    (2)在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，要概念明確，思路清晰，利用適合梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)分析的空間或平面有限元程序進(jìn)行計(jì)算，工作量并不會(huì)很大，而且對(duì)某些結(jié)果再進(jìn)行調(diào)整也可使其更為理想。

    (3)對(duì)于有二次轉(zhuǎn)換梁的轉(zhuǎn)換層，轉(zhuǎn)換次粱的設(shè)置不但減小了轉(zhuǎn)換主梁的剪跨比，而且因荷載經(jīng)多次轉(zhuǎn)換傳遞，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換主梁在剪跨比較小區(qū)段較早出現(xiàn)剪切破壞．次梁正交部位截面應(yīng)變分布復(fù)雜，梁端易出現(xiàn)裂縫，且轉(zhuǎn)換主粱在水平荷載作用下易產(chǎn)生較大扭矩，因此應(yīng)盡量避免二次轉(zhuǎn)換，有主次梁的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)還有待進(jìn)一步深入研究。

    總之，在帶有梁式轉(zhuǎn)換層的高層建筑設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)，更是不同形式結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)不斷研究和進(jìn)行方案比較，在可能的情況下做出較優(yōu)的技術(shù)方案才能實(shí)現(xiàn)安全、適用、經(jīng)濟(jì)等綜合目標(biāo)。

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(本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：溫紅娟  尚雯瀟  尹維維 編輯 文徑 審核)

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