建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)的原則及方法分析

梁俊穎

(北京世紀(jì)中天國(guó)際建筑設(shè)計(jì)有限公司廣東分公司，廣東廣州 510000)

1 建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)原則

關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)原則，可概括為“豎向布置原則”“平面布置原則”“結(jié)構(gòu)計(jì)算原則”三個(gè)方面，具體內(nèi)容如下。

1．1 豎向布置原則

由于高層建筑上下部結(jié)構(gòu)體系存在較大的差異性，沿著高度方向，轉(zhuǎn)換層需要達(dá)到規(guī)范要求的標(biāo)準(zhǔn)剛度，包括梁體、梁板等在內(nèi)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，在進(jìn)行豎向布置時(shí)，一方面需要盡量避免高位轉(zhuǎn)換，即兼顧轉(zhuǎn)換層之間的位移角和剪力分配，以免形成不利于抗震的薄弱層，通過(guò)以控制層數(shù)的做法滿足設(shè)計(jì)的需求，另一方面是在布置形式方面下功夫，譬如以分段布置大跨度樓蓋結(jié)構(gòu)，以滿足各個(gè)主梁之間的間距需求，與柱列的改變?cè)砣绯鲆晦H。

1．2 平面布置原則

平面布置只有兩個(gè)方面的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，一是轉(zhuǎn)換層周圍柱列或者角筒上方的入口布置，要求控制好過(guò)渡段柱列的疏密，可在這些位置布置水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件，另一方面是縱向和橫向布置時(shí)，通過(guò)相鄰層調(diào)隔布置、柱網(wǎng)協(xié)調(diào)布置、相鄰層垂直布置等，從而形成轉(zhuǎn)換層之間的對(duì)角線和放射性統(tǒng)一關(guān)系。

1．3 結(jié)構(gòu)計(jì)算原則

轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，計(jì)算是不可或缺的步驟之一，其計(jì)算方法甄選，前提是分析轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的空間形態(tài)，借助三維空間分析等方法，計(jì)算出轉(zhuǎn)換層的內(nèi)力和位移參數(shù)，亦可采用高精度的平面應(yīng)力單元，對(duì)轉(zhuǎn)換層的平板和箱形結(jié)構(gòu)等進(jìn)行局部應(yīng)力計(jì)算。至于計(jì)算高度的選擇，應(yīng)該緊扣轉(zhuǎn)換層的層高和相鄰下層層高參數(shù)，合理劃分和選擇單元。

2 建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)方法

在明確建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，筆者基于實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置之后，分別對(duì)框支梁、框支柱、剪力墻、框支樓板、厚板、轉(zhuǎn)換桁架等進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)方法如下。

2．1 結(jié)構(gòu)布置

基于高層建筑的結(jié)構(gòu)特征，通常是地面以下空間設(shè)置框支剪力墻，而地面以上的不同層數(shù)，需要嚴(yán)格控制具體的抗震烈度，譬如3層以下的結(jié)構(gòu)抗震烈度至少為8度，3層～5層結(jié)構(gòu)的抗震烈度至少為7度。其中轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的上下部，在側(cè)向剛度比方面，以及樓板在錯(cuò)層布置方面，在非抗震設(shè)計(jì)時(shí)和抗震設(shè)計(jì)時(shí)，均要求控制好支層設(shè)計(jì)間距，以便為轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的布置騰出更加充足的空間。

2．2 框支梁設(shè)計(jì)

框支梁的設(shè)計(jì)，在截面方面具有一定的限制條件，要求與框支柱的截面中線保持疊合，并將框支梁的截面寬度，控制在同方向框支柱截面寬度以內(nèi)，但需要大于上部墻體截面厚度的2倍，即400 mm。其中梁截面的高度是跨度計(jì)算的重要參數(shù)之一，可分為無(wú)地震作用組合和有地震作用組合兩類。至于配筋構(gòu)造，分為七個(gè)方面的設(shè)計(jì)步驟:1)框支梁上部縱向鋼筋與下部縱向鋼筋最少配筋量的確定，其中非抗震設(shè)計(jì)時(shí)至少為0．3%，一級(jí)抗震設(shè)計(jì)至少為0．6%，二級(jí)抗震設(shè)計(jì)至少為0．5%，三級(jí)抗震設(shè)計(jì)至少為0．4%;2)框支梁受拉時(shí)，在柱內(nèi)貫穿直徑16 mm以上的縱向鋼筋，并保持200 mm以內(nèi)配置距離;3)框支梁制作位置設(shè)置加密箍筋，其中箍筋的直徑和間距分別為10 mm和100 mm，并規(guī)定非抗震設(shè)計(jì)時(shí)含箍率至少為0．8ft/fyv，一級(jí)抗震設(shè)計(jì)至少為1．3ft/fyv，二級(jí)抗震設(shè)計(jì)至少為1．2ft/fyv，三級(jí)抗震設(shè)計(jì)至少為1．1ft/fyv;4)借助機(jī)械連接框支梁的縱向鋼筋接頭，在同個(gè)截面內(nèi)的接頭總面積，應(yīng)該保持在所有縱向鋼筋截面總面積的一半以內(nèi)，以及盡量不在上部墻體預(yù)留孔洞位置連接接頭;5)當(dāng)框支梁上方的墻體設(shè)置門洞，則要按照規(guī)范要求在這個(gè)位置配置加密箍筋，如果框支梁的受剪承載力要求高，則需要適當(dāng)加大洞口的連度;6)框支梁周圍不適合開洞，如果不得不開洞，則建議在距離框支梁上弦桿和下弦桿較遠(yuǎn)的位置配筋和加強(qiáng)型鋼，在確保開洞后能夠滿足框支梁的承載力要求后，再進(jìn)行開洞;7)在轉(zhuǎn)換層的主體結(jié)構(gòu)位置上，由于豎向布置復(fù)雜，因此需要通過(guò)應(yīng)力的分析，根據(jù)應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)對(duì)配筋情況進(jìn)行仔細(xì)校對(duì)，而不能夠盲目采用框支主梁和次梁的方案。

2．3 框支柱設(shè)計(jì)

框支柱設(shè)計(jì)的截面也有一定的限制條件，其中包括柱截面的寬、截面組合最大剪力設(shè)計(jì)值、框支角柱彎矩設(shè)計(jì)值、框支角柱剪力設(shè)計(jì)值、軸壓比限值等，柱截面寬度非抗震審計(jì)時(shí)至少為400 mm，抗震設(shè)計(jì)時(shí)至少為450 mm，同時(shí)按照不同類型的框支剪力墻，確定具體的抗震等級(jí)。1)基于軸壓比視角分析軸壓力設(shè)計(jì)值與框支柱截面軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的比值關(guān)系;2)框架柱使用的井字復(fù)合箍，間距、肢距、直徑分別控制在100 mm，200 mm，12 mm以內(nèi)，而結(jié)合軸壓比限值增加幅度，其這些參數(shù)都需要予以相應(yīng)調(diào)整;3)框架柱所增設(shè)的芯桿，可按照箍筋配筋特征值，確定具體的軸壓比增加值。至于配筋的構(gòu)造，中柱、邊柱、框架柱在不同抗震等級(jí)時(shí)，最小配筋百分率分別為:一級(jí)抗震等級(jí)時(shí)，中柱和邊柱百分率1．0%、角柱百分率1．2%、框支柱百分率1．2%;二級(jí)抗震等級(jí)時(shí)，中柱和邊柱百分率0．8%、角柱百分率1．0%、框支柱百分率1．0%;三級(jí)抗震等級(jí)時(shí)，中柱和邊柱百分率0．7%、角柱百分率0．9%;四級(jí)抗震等級(jí)時(shí)，中柱和邊柱百分率0．6%、角柱百分率0．8%;非抗震設(shè)計(jì)時(shí)，中柱和邊柱百分率0．6%、角柱百分率0．6%、框支柱百分率0．8%。通過(guò)框架柱縱向鋼筋最小配筋率的設(shè)計(jì)，即可沿著框架柱全高加密箍筋，其中箍筋的形式有普通箍、復(fù)合箍、螺旋箍、復(fù)合螺旋箍幾種，具體箍筋形式的應(yīng)用，需要根據(jù)不同抗震等級(jí)的軸壓比設(shè)計(jì)值要求，確定最小配箍的特征值。

2．4 剪力墻設(shè)計(jì)

剪力墻的設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)滿足加強(qiáng)部位的要求，鑒于剪力墻底部的加強(qiáng)部位具有級(jí)別要求，因此其彎矩設(shè)計(jì)值，應(yīng)該按照剪力設(shè)計(jì)值的規(guī)定予以調(diào)整，并保證落地剪力墻基礎(chǔ)的整體性和抗轉(zhuǎn)動(dòng)性能夠符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。在此，剪力墻的軸壓比限值確定，與剪力墻結(jié)構(gòu)本身的抗震設(shè)計(jì)要求相關(guān)，其中一級(jí)抗震軸壓比為0．4N/fcA，二級(jí)抗震軸壓比為 0．5N/fcA，三級(jí)抗震軸壓比為0．6N/fcA，并兼顧包括剪力墻肢截面面積和混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。在確定剪力墻軸壓比限值之后，就可以進(jìn)行配筋的構(gòu)造，首先是檢查剪力墻是否有預(yù)留門洞，如有則需要在墻體門洞的邊緣設(shè)置翼緣墻和端柱，然后為約束邊緣構(gòu)件要求內(nèi)，設(shè)計(jì)配筋;其次是分抗震設(shè)計(jì)和非抗震設(shè)計(jì)，設(shè)置轉(zhuǎn)換層梁體內(nèi)的錨固長(zhǎng)度;最后是在布置豎向鋼筋之后，在一定高度范圍內(nèi)，同步設(shè)置水平分布筋，其中框支梁的凈跨、框支柱截面高度、剪力墻截面厚度、組合平均壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值等，均需要考慮在內(nèi)。至于部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，除了全面考慮水平分布鋼筋和豎向分布鋼筋的最小配筋率，還需要控制鋼筋的間距和直徑，使得配筋率分別滿足抗震設(shè)計(jì)時(shí)0．3%以上和非抗震設(shè)計(jì)時(shí)0．25%以上的要求。

2．5 框支樓板設(shè)計(jì)

框支樓板的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)時(shí)要按照剪力設(shè)計(jì)值的要求，布置平面建筑支層樓板。對(duì)于框支樓板截面厚度和寬度的控制，可按照剛性樓板的設(shè)計(jì)值，按照不同抗震強(qiáng)度要求，計(jì)算出穿過(guò)框支層樓蓋鋼筋的截面面積，進(jìn)而對(duì)承載力系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使得樓板平面內(nèi)的受彎承載力驗(yàn)算流程能夠得以簡(jiǎn)化。轉(zhuǎn)換層樓板的厚度，原則是180 mm，但由于雙層雙向配筋的配筋率具有差異性，因此可對(duì)厚度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以便提高樓板錨固于邊梁的牢固程度。另外在剪力墻和筒體外的周圍，也不適合預(yù)留門洞，應(yīng)該將門洞設(shè)置在邊梁位置，并將門洞寬度控制在2倍框支樓板厚度以上和保持至少1．0%的縱向配筋率。至于縱向配筋的接頭，可通過(guò)焊接，使得轉(zhuǎn)換層之間樓板更加穩(wěn)固。

2．6 其他設(shè)計(jì)

一方面是厚板的設(shè)計(jì)，建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的厚板，起到抗彎、抗剪、抗沖切的能力，因此其厚度的控制直接關(guān)系到厚板性能的實(shí)現(xiàn)，但為了便于厚板與轉(zhuǎn)換層的銜接，在某些局部位置，可加工成薄板，或者將厚板做成夾心板。那么，我們應(yīng)該如何準(zhǔn)確拿捏厚板的具體尺寸，在此，筆者建議對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)換層的厚板進(jìn)行劃分，然后利用有限元分析法，按照不同剪力和彎矩的設(shè)計(jì)值，校核具體的配筋，以及沿著受彎縱向鋼筋的方向，配置配筋率至少為0．6%的雙向雙層抗剪箍筋，以便預(yù)防厚板出現(xiàn)水平裂縫，對(duì)于整個(gè)鋼筋骨架網(wǎng)強(qiáng)度的增加，也具有很大的作用。另一方面是轉(zhuǎn)換桁架設(shè)計(jì)，設(shè)置于框架上，將核心筒和筒中筒結(jié)構(gòu)的密柱，轉(zhuǎn)換成稀柱，期間要求將斜桿的交點(diǎn)作為上部密柱的支點(diǎn)，這樣通過(guò)配筋的加強(qiáng)，就能夠有效預(yù)防集中應(yīng)力的影響，但如果屬于桁架滿層設(shè)置方式，則要重點(diǎn)控制好整體的受力和剛度，可按照強(qiáng)剪弱彎的配筋方式，提高豎腹桿的配置水平，并與樓板的上弦桿和下弦桿錨固連接。

3 結(jié)語(yǔ)

由于高層建筑上下部結(jié)構(gòu)體系存在較大的差異性，沿著高度方向，轉(zhuǎn)換層需要達(dá)到規(guī)范要求的標(biāo)準(zhǔn)剛度，其設(shè)計(jì)原則包括“豎向布置原則”“平面布置原則”“結(jié)構(gòu)計(jì)算原則”三個(gè)方面，在明確建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，筆者基于實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置之后，分別對(duì)框支梁、框支柱、剪力墻、框支樓板、厚板、轉(zhuǎn)換桁架等進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)文章的研究，基本明確了高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)方法，但出于不同建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求和條件的差異性，在應(yīng)用以上設(shè)計(jì)方法時(shí)，仍然需要結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)工作的情況，對(duì)這些方法予以進(jìn)一步的補(bǔ)充和完善。

［1］ 朱 亮，周 偉．探討高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］．四川建筑，2009(1):119-121．

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［3］ 蔣 超．淺談住宅建筑中帶轉(zhuǎn)換層的框支剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］．四川建材，2008(6):117-118．

［4］ 楊京俊，陳海新．高層建筑中轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的影響因素與分析方法［J］．山西建筑，2007，33(8):82-83．