淺析高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

◎ 上饒市城鄉(xiāng)規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)院 鄭黃鶴

1 高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的發(fā)展趨勢

帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換層的應(yīng)用。鋼骨混凝土梁不僅承載力高，剛度好，可大大減小截面尺寸，且塑性、耐久性和抗震性能優(yōu)于鋼筋混凝土梁。此外， 鋼骨混凝土梁在施工階段其自身剛度好，定位準(zhǔn)確，可減少支模，加快施工速度。目前， 國內(nèi)采用鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換構(gòu)件的實(shí)際工程還不多，但國外采用較多。

預(yù)應(yīng)力混凝土轉(zhuǎn)換層的應(yīng)用。采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)可帶來許多結(jié)構(gòu)和施工上的優(yōu)點(diǎn)，如減小截面尺寸、控制裂縫和撓度, 控制施工階段的裂縫及減輕支撐負(fù)擔(dān)等等。因此，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)非常適合于建造承重荷載的大跨度轉(zhuǎn)換層，且有自重輕，節(jié)省鋼材和混凝土等優(yōu)點(diǎn)。

由多個(gè)單層析架空腹彬架、混合空腹析架等疊合組成的結(jié)構(gòu)形成“疊層析架結(jié)構(gòu)”，由多根截面尺寸較大的弦桿梁共同承擔(dān)上部豎向荷載的工作機(jī)制，設(shè)置斜腹桿改變了豎向荷載的傳力方向和位置，起卸載作用，類似于拱傳力。

2 轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)形式及設(shè)計(jì)原則

2.1 轉(zhuǎn)換層的主要結(jié)構(gòu)形式

在《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3- 2002）中，規(guī)范對轉(zhuǎn)換梁的最小高度和寬度作如下規(guī)定：框支梁截面的寬度不宜大于框支柱相應(yīng)方向的截面寬度，不宜小于其上墻體截面厚度的2 倍，且不易小于400mm；當(dāng)梁上托柱時(shí)，尚不應(yīng)小于梁寬方向的柱截面寬度。進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)轉(zhuǎn)換梁高不小于其跨度的1/6；非抗震設(shè)計(jì)時(shí)，轉(zhuǎn)換梁高不小于跨度的1/8。

2.2 轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)原則

① 轉(zhuǎn)換層的豎向布置

轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)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；也可根據(jù)建筑功能的要求，在樓層局部布置轉(zhuǎn)換層，且自身的這個(gè)空間既可作為正常使用樓層，也可作技術(shù)設(shè)備層，但應(yīng)保證轉(zhuǎn)換層有足夠的剛度，以防止沿豎向剛度過于懸殊。對大底盤多塔樓的商住建筑，塔樓的轉(zhuǎn)換層宜設(shè)置在裙房的屋面層，并加大屋面梁、板尺寸和厚度，以避免中間出現(xiàn)剛度特別小的樓層，減小震害。對部分框支剪力墻高層建筑結(jié)構(gòu)，其轉(zhuǎn)換層的位置，7度區(qū)不宜超過第5層，8度區(qū)不宜超過第3層。轉(zhuǎn)換層位置超過上述規(guī)定時(shí)，應(yīng)作專門研究并采取有效措施。

② 轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)布置

研究得出，底部轉(zhuǎn)換層位置越高,轉(zhuǎn)換層上、下剛度突變越大，轉(zhuǎn)換層上、下內(nèi)力傳遞途徑的突變就越加劇；此外， 轉(zhuǎn)換層位置越高，落地剪力墻或簡體易出現(xiàn)受彎裂縫，從而使框支柱的內(nèi)力增大，轉(zhuǎn)換層上部附近的墻體易于破壞。總之，轉(zhuǎn)換層位置越高對抗震越不利。

底部帶轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層上部的部分豎向構(gòu)件不能直接連續(xù)貫通落地，因此，必須設(shè)置安全可靠的轉(zhuǎn)換構(gòu)件。按現(xiàn)有的工程經(jīng)驗(yàn)和研究結(jié)果，轉(zhuǎn)換構(gòu)件可采用轉(zhuǎn)換大梁、斜撐、箱形結(jié)構(gòu)以及厚板等形式。由于轉(zhuǎn)換厚板在地震區(qū)使用經(jīng)驗(yàn)較少，可在非地震區(qū)和6度抗震設(shè)計(jì)時(shí)采用，對于大空間地下室, 因周圍有約束作用，地震反應(yīng)小于地面以上的框支結(jié)構(gòu)，故7，8度抗震設(shè)計(jì)時(shí)的地下室可采用厚板轉(zhuǎn)換層。

③ 轉(zhuǎn)換層的抗震設(shè)計(jì)

為保證設(shè)計(jì)的安全性，規(guī)定部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的位置設(shè)置在3層以上時(shí)，其框支柱、剪力墻底部加強(qiáng)部位的抗震等級宜按高規(guī)規(guī)定提高一級采用，提高其抗震構(gòu)造措施，而對于底部帶轉(zhuǎn)換層的框架一核心簡結(jié)構(gòu)和外圍為密柱框架的簡中簡結(jié)構(gòu)的抗震等級不必提高。對轉(zhuǎn)換層的轉(zhuǎn)換構(gòu)件水平地震作用的計(jì)算內(nèi)力需調(diào)整增大；8度抗震設(shè)計(jì)時(shí), 還應(yīng)考慮豎向地震作用的影響。

3 梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與構(gòu)造

由框支主梁承托轉(zhuǎn)換次梁及次梁上的剪刀墻，其傳力途徑多次轉(zhuǎn)換, 受力復(fù)雜。框支主梁除承受其上部剪力墻的作用外，還需要承受梁傳給的剪力，扭矩和彎矩，框支主梁易受剪破壞。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)，做成落地剪力墻與框支墻與剪力墻協(xié)同工作的受力體系。

3.1 轉(zhuǎn)換梁的設(shè)計(jì)與構(gòu)造要求

轉(zhuǎn)換梁的截面尺寸一般宜由剪壓比計(jì)算確定，以避免脆性破壞和具有合適的含箍率。轉(zhuǎn)換梁不宜開洞，若需要開洞，洞口宜位于梁中和軸附近。洞口上、下弦桿必須采取加強(qiáng)措施，箍筋要加密，以增強(qiáng)其抗剪能力。上、下弦桿箍筋計(jì)算時(shí)宜將剪力設(shè)計(jì)值乘放大系數(shù)1.2。當(dāng)洞口內(nèi)力較大時(shí)，可采用型鋼構(gòu)件來加強(qiáng)。

轉(zhuǎn)換梁的混凝土強(qiáng)度等級不應(yīng)低于C30 。轉(zhuǎn)換梁上、下主筋的最小配筋率非抗震設(shè)計(jì)時(shí)為0.3%，轉(zhuǎn)換梁中主筋不宜有接頭，轉(zhuǎn)換梁上部主筋至少應(yīng)有50%沿梁全長貫通, 下部主筋應(yīng)全部貫通伸入柱內(nèi)。

3.2 框支柱的設(shè)計(jì)與構(gòu)造要求

框支柱截面尺寸一般系由其軸壓比計(jì)算確定。地震作用下框支柱內(nèi)力需調(diào)整：抗震設(shè)計(jì)時(shí)，框支柱的柱頂彎矩應(yīng)乘以放大系數(shù)，并按放大后的彎矩設(shè)計(jì)值進(jìn)行配筋；剪力調(diào)整：框支柱承受的地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按下列規(guī)定采用：框支柱的數(shù)目不多于10 根時(shí)，當(dāng)框支層為1～2層時(shí)，每層第根柱承受的剪力應(yīng)至少取基底剪力的2%；當(dāng)框支層為3層及3層以上時(shí)，各層每根柱所受的剪力應(yīng)至少取基底剪力的3%；框支柱的數(shù)目多于10根時(shí), 當(dāng)框支層為1～2層時(shí)，每層每根柱承受的剪力之和應(yīng)取基底剪力的20%；當(dāng)框支層為3層及3層以上時(shí)，每層框支柱承受剪力之和應(yīng)取基底剪力的30%；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。

框支柱全部縱向鋼筋配筋率，抗震等級一級時(shí)不小于1.2%，二級時(shí)不小于1.0%，三級時(shí)不小于0.9%、四級及非抗震設(shè)計(jì)時(shí)不小于0.8%。縱向鋼筋間距抗震設(shè)計(jì)時(shí)不大于200mm，且不小于80mm，全部縱向鋼筋配筋率不宜大于4%。

3.3 轉(zhuǎn)換梁的截面設(shè)計(jì)方法

應(yīng)力截面設(shè)計(jì)方法。對轉(zhuǎn)換梁進(jìn)行有限元分析得到的結(jié)果是應(yīng)力及其分布規(guī)律，為能直接應(yīng)用轉(zhuǎn)換梁有限元法分析后的應(yīng)力大小及其分布規(guī)律進(jìn)行截面的配筋計(jì)算，假定不考慮混凝土的抗拉作用，所有拉力由鋼筋承擔(dān)鋼筋達(dá)到其屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。受壓區(qū)混凝土的強(qiáng)度達(dá)到軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

3.4 轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計(jì)方法的選擇

托柱形式轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計(jì)。當(dāng)轉(zhuǎn)換梁承托上部普通框架時(shí)，在轉(zhuǎn)換梁常用截面尺寸范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)換梁的受力基本和普通梁相同，可按普通梁截面設(shè)計(jì)方法進(jìn)行配筋計(jì)算。當(dāng)轉(zhuǎn)換梁承托上部斜桿框架時(shí)，轉(zhuǎn)換梁將承受軸向拉力，此時(shí)應(yīng)按偏心受拉構(gòu)件進(jìn)行截面設(shè)計(jì)。

3.5 托墻形式轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計(jì)

當(dāng)轉(zhuǎn)換梁承托上部墻體滿跨不開洞時(shí)，轉(zhuǎn)換梁與上部墻體共同工作，其受力特征與破壞形態(tài)表現(xiàn)為深梁，此時(shí)轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計(jì)方法宜采用深梁截面設(shè)計(jì)方法或應(yīng)力截面設(shè)計(jì)方法，且計(jì)算出的縱向鋼筋應(yīng)沿全梁高適當(dāng)分布配置。由于此時(shí)轉(zhuǎn)換梁跨中較大范圍內(nèi)的內(nèi)力比較大，故底部縱向鋼筋不宜截?cái)嗪蛷澠穑瑧?yīng)全部伸入支座。當(dāng)轉(zhuǎn)換梁承托上部墻體為小墻肢時(shí)，轉(zhuǎn)換梁基本上可按普通梁的截面設(shè)計(jì)方法進(jìn)行配筋計(jì)算，縱向鋼筋可按普通梁集中布置在轉(zhuǎn)換梁的底部。