高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)探討

蘇偉成

（廣州市魯班建筑有限公司，廣東 廣州 510000）

目前為了滿足人們?cè)絹碓礁叩慕ㄖ枨螅沟棉D(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)得到了廣泛應(yīng)用，其中最為普遍的當(dāng)屬梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，由于在轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中存在豎向受力轉(zhuǎn)換，所以結(jié)構(gòu)的受力相對(duì)復(fù)雜，尤其是在施工階段的影響方面，很多計(jì)算中都未考慮施工過程或考慮得較為簡單，從而造成設(shè)計(jì)未能反應(yīng)施工的真實(shí)情況。

1 梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式

高層建筑結(jié)構(gòu)下部受力比上部大，按常理來說，在高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中要考慮下部結(jié)構(gòu)的剛度要大于上部結(jié)構(gòu)的剛度，采取的措施就是下部增加墻體、增加柱網(wǎng)，而上部逐漸減少墻柱的密度。顯然，這在高層建筑設(shè)計(jì)中是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)楦邔咏ㄖ氖褂霉δ軐?duì)空間要求卻是下部大空間，往上部逐漸減小，因此對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)就要考慮反常規(guī)設(shè)計(jì)方法。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(duì)轉(zhuǎn)換梁的最小高度和寬度作了如下規(guī)定：框支梁截面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400 mm；當(dāng)梁上托柱時(shí)，尚不應(yīng)小于梁寬方向的柱截面寬度。梁截面高度，抗震設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)小于計(jì)算跨度的1/6，非抗震設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)小于計(jì)算跨度的1/8。從該設(shè)計(jì)規(guī)程中可知，采取這些限制的措施主要是為了保證轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)的整體剛度，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的可靠性。

1.1 梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式

實(shí)際工程中應(yīng)用的梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)有多種形式，主要原理就是利用下部的轉(zhuǎn)換大梁來支托上部結(jié)構(gòu)。

1.2 梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)受力機(jī)理分析

梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的傳力途徑為墻—梁—柱（墻）的形式，傳力直接，便于分析計(jì)算。轉(zhuǎn)換大梁的受力主要受上部剪力墻剛度、剪力墻與轉(zhuǎn)換大梁的相對(duì)剛度和轉(zhuǎn)換大梁與下部支撐結(jié)構(gòu)的相對(duì)剛度影響。為了弄清轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)與上部墻體共同工作的性能，對(duì)轉(zhuǎn)換梁承托層數(shù)對(duì)其內(nèi)力的影響采用有限元程序進(jìn)行分析，從分析結(jié)果中我們知道，對(duì)一般結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換大梁，上部墻體考慮3層與考慮4層、5層內(nèi)力的設(shè)計(jì)控制，內(nèi)力差異不大于5%，故在分析計(jì)算時(shí)可考慮計(jì)算3層。

2 梁式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)豎向布置

高層建筑的側(cè)向剛度宜下大上小，且應(yīng)避免剛度突變。然而帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)顯然有悖于此，因此文獻(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度作了專門規(guī)定。對(duì)該工程而言，屬于“高位轉(zhuǎn)換”。轉(zhuǎn)換層上下等效側(cè)向剛度比宜接近于 1，不應(yīng)大于 1.3。在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)把握原則，就是要強(qiáng)化下部，弱化上部。可以采用的方法有以下幾種：

（1）與建筑專業(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（不伸至上層）。除核心筒部分剪力墻在底部必須設(shè)置外，與建筑專業(yè)協(xié)商后，讓兩側(cè)各有一片剪力墻落地。這些無疑都大大增強(qiáng)了底部剛度。

（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600 mm，其余部分的厚度取400 mm。

（3）底部剪力墻盡量不開洞或開小洞，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，并在某些較長剪力墻中部開結(jié)構(gòu)洞，以弱化上部剛度。弱化上部剛度不僅對(duì)控制剛度比有利，還可減輕建筑物重量，減小框支梁承受的荷載；增大結(jié)構(gòu)自振周期，減小地震作用力。工程綜合采用上述幾種方法后，轉(zhuǎn)換層上下剛度比在 X方向?yàn)?.725，在Y方向?yàn)?.813，滿足規(guī)范要求，效果良好。

2.2 結(jié)構(gòu)平面布局

工程底部為框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，體型簡單、規(guī)則；上部為純剪力墻結(jié)構(gòu)。在剪力墻平面布置上，東西向完全對(duì)稱，南北向質(zhì)量中心與剛度中心偏差不超過2 m，結(jié)構(gòu)偏心率較小。除核心筒外，其余剪力墻布置分散、均勻；且盡量沿周邊布置，以增強(qiáng)抗扭效果。查閱計(jì)算結(jié)果，扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動(dòng)為主的第一自振周期之比為 0.85，各層最大水平位移與層間位移比值不大于1.3，均滿足平面布置及控制扭轉(zhuǎn)的要求。可見工程平面布局規(guī)則合理，抗扭效果良好。

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力墻，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，還要承受次梁傳給的剪力、扭矩和彎矩，框支主梁易受剪切破壞。對(duì)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)，形成落地剪力墻與框支墻協(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)值乘以放大系數(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(jí)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)，每層每根柱承受的剪力應(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(jí)一級(jí)時(shí)不小于1.2%，二級(jí)時(shí)不小于 1.0%，三級(jí)時(shí)不小于 0.9%，四級(jí)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200 mm，且不小于80 mm，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

目前國內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作普遍采用的轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計(jì)方法，主要有應(yīng)力截面設(shè)計(jì)方法。對(duì)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。

4 結(jié)束語

總之，梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)是目前高層建筑中實(shí)現(xiàn)垂直轉(zhuǎn)換最常用的結(jié)構(gòu)形式，其正確選擇建筑抗震類別、結(jié)合結(jié)構(gòu)布置、正確選擇各分部的抗震等級(jí)、構(gòu)件設(shè)計(jì)應(yīng)注重抗震延性設(shè)計(jì)的概念、對(duì)主要構(gòu)件進(jìn)行加強(qiáng)是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。