高層建筑梁式轉換層結構設計的實踐與體會

摘 要：隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市建設規(guī)模得到了擴大，人們對于高層建筑的多功能需求越來越多。梁式轉換層結構作為高層建筑中能夠?qū)崿F(xiàn)垂直轉換的構件得以廣泛應用。在帶有梁式轉換層的高層建筑結構設計中，轉換層結構設計是建筑整體結構設計的一個重點和難點。本文結合實例，對梁式轉換層建筑結構設計要點進行分析，為同類工程提供借鑒。

關鍵詞：高層建筑；梁式轉換層；受力分析；結構設計

前言

隨著我國經(jīng)濟和科學技術的飛速發(fā)展，高層建筑空間使用也趨向多層次、多功能發(fā)展。建筑物的這種多元化發(fā)展，使得結構在豎向必須具有不同的柱網(wǎng)及墻體布置，以滿足其對建筑空間的大型、靈活、自由的需求，而在大小空間銜接處需要設置結構轉換層。于是，帶轉換高層建筑結構體系就此應運而生，并在工程實踐中得到了長足的發(fā)展。以下筆者就結合自身工作經(jīng)驗，對某高層建筑梁式轉換層結構設計做出探討。

一、工程概況

某綜合大樓，總建筑面積為28650㎡，地下室2層，地上28層。其中裙房1～4層為商業(yè)樓層，1層層高是5.1m，2～4層層高均是4.2m，5～28層為住宅，層高均為3m。由于該工程為綜合性質(zhì)較的高層建筑，上下建筑功能不同，需要豎向空間具有不同形式的空間組合。由于5層以上為住宅，所需的空間分隔較多，故采用框架-剪力墻結構。關于該工程的結構選型，由于梁式轉換相對箱型、厚板更為簡單、經(jīng)濟。因此，本工程選擇了梁式轉換的結構轉換方式。最后，該工程結構形式確定為帶梁式轉換層的部分框支剪力墻結構。4層設置結構轉換層兼設備層，轉換層以上為住宅樓（純剪力墻結構），以下為框架—剪力墻結構。

二、結構分析及計算參數(shù)

本工程屬丙類建筑，結構體系為部分框支剪力墻結構，建筑物高度為89.7m<100m，屬于A級高度的混凝土高層建筑。抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.1g，設計地震分組為第1組，基本風壓值 =0.6kN/㎡，地面粗糙度C類，建筑體形系數(shù) =1.4。本工程采用中國建筑科學研究院PKPM-SATWE程序進行結構設計和受力計算分析。其結構自振周期計算結果見表1。風荷載作用和地震作用結構剪重比、基底剪力、位移及傾覆彎距計算結果分別見表2，表3。

表1 采用SATWE計算的結構自振周期

自振周期周期（s）振型特征T /T

T

2.59Y向平動0.81

T

2.44X向平動0.80

T

2.10扭轉0.80

表2 采用SATWE分析風荷載作用結構主要計算結果

受力方向X向Y向

頂點位移△（mm）16.8963.32

△/H1/62951/1338

層間最大位移所在樓層1520

（mm）

0.712.47

/h

1/38181/1197

基底剪力 （kN）

27997355

傾覆彎矩（kN m）163 715458 388

表3 采用SATWE分析地震作用結構主要計算結果

受力方向X向Y向

頂點位移△（mm）35.248.94

△/H1/29901/1527

層間最大位移所在樓層1520

（mm）

1.431.87

/h

1/18101/1574

基底剪力 （kN）

63537922

傾覆彎矩（kN m）314 289339 878

剪重比（%）1.61.83

計算結果分析：①從計算結果可知，部分框支梁的抗剪沒有滿足規(guī)范的要求，我們?nèi)∑鋬?nèi)力，人工復核，通過加腋的方式來滿足抗剪要求。②換層結構上下層剛度比達到比較理想的效果。③轉換層與其相鄰上層的側向剛度比（X方向0.84；Y方向0.68）大于0.6，計算結果滿足規(guī)范 的要求。

三、梁式轉換層結構的設計要點

3.1結構平面布局。對于有抗震設防要求的建筑，為了改善結構的受力性能，提高其抗震能力，在對有抗震設防要求的建筑進行結構平面布置時，可以將一部分剪力墻落地，并貫通至基礎，做成框支墻與落地剪力墻協(xié)同工作的受力體系。該工程上部為純剪力墻結構，底部為體型規(guī)則、簡單的框架—剪力墻結構。南北向剛度中心與質(zhì)量中心偏差不超過2米，東西向完全對稱，為了增強抗扭效果，除核心筒外的其余剪力墻應盡量沿周邊均勻、分散布置。

3.2 結構豎向布置。高層建筑的豎向體型宜規(guī)則、均勻，避免有過大的外挑和內(nèi)收，可根據(jù)其建筑功能和結構傳力的需要，沿高層建筑高度方向一處或多處靈活布置；也可以按照建筑功能需要，在樓層局部布置轉換層。該工程的豎向布置設計遵循“強化下部，弱化上部”的原則。盡量減少轉換層上部剪力墻數(shù)目，控制剪力墻厚度。轉換層以下剪力墻中，核心筒部分的厚度取為400mm，其余部分的厚度取為350mm。

3.3 抗震等級的確定。當剪力墻轉換層結構設置在三層以上時，為了保證設計的安全性，框支柱、剪力墻底部加強部位的抗震等級應提高一級。另外，在8度抗震設計時，還應考慮豎向地震作用的影響。

按照現(xiàn)行規(guī)范，結合該工程的結構特點，該工程各部位的抗震等級設計見表1：

表1 抗震等級的設計

構件名稱梁、柱剪力墻

框支梁、框支柱及1-6層與框支柱相連的框架梁地下2層梁、柱裙樓及地下1層框架梁、柱地下2層底部加強部位非底部加強部位

轉換層以上2層以下轉換層以上且2層以上

抗震等級特一級三級一級三級三級特一級二級

四、轉換層結構構件設計

4.1框支柱設計。框支柱為非常重要的構件，為增大安全性，對柱端剪力及柱端彎矩均要乘以相應的增大系數(shù)，每層框支柱承受剪力之和應取基底剪力的30%。因為程序計算時，一般假定樓板剛度無限大，水平剪力按豎向構件的剛度分配。底部剪力墻剛度遠大于框支柱，使得框支柱剪力非常小。然而考慮到實際工程中樓板的變形以及剪力墻出現(xiàn)裂縫后剛度的下降，框支柱剪力會增加。因而對框支柱的剪力增大作了單獨規(guī)定。另外，為了加強轉換層上下連接，框支柱上部墻體范圍內(nèi)的縱筋應伸入上部墻體內(nèi)一層；其余在墻體范圍外的縱筋則水平錨入轉換層梁板內(nèi)，滿足錨固要求。框支柱的配筋率一般為1.3%，配箍率為1.64%左右。

4.2框支梁設計。框支梁受力巨大且受力情況復雜，它不但是上下層荷載的傳輸樞紐，也是保證框支剪力墻抗震性能的關鍵部位，是一個復雜而重要的受力構件。在設計框支梁時，加強了配筋。框支梁的上、下縱筋的配筋率一般為0.8%左右，腰筋為 16@200，配箍率為0.9%。

4.3轉換層樓板設計。轉換層樓板承擔著完成上下部分剪力重分配的任務，并且由于轉換層樓板自身平面內(nèi)受力很大，而變形也很大，所以轉換層樓板必須有足夠的剛度作保證。本工程轉換層樓板采用C55混凝土，樓板厚為180mm，配 10@160 雙層雙向的鋼筋，配筋率為0.28%。

4.4由于梁式轉換層的高層結構比較復雜，我們在設計過程中，為了協(xié)助轉換層樓板完成剪力重分配，將該層以上兩層及以下各層樓板也進行了適當加強，均取厚度150mm。在轉換層的上層的樓板及剪力墻均采用特別加強加大板厚及配雙層鋼筋，以利于該層內(nèi)力的傳遞和重分布。

結束語：

梁式轉換層結構具有傳力路徑清晰快捷、工作可靠、構造簡單、施工方便等優(yōu)點，是目前高層建筑中實現(xiàn)垂直轉換最常用的結構形式。設計人員在對高層建筑轉換層結構進行設計時，應根據(jù)建筑平面及功能要求合理選擇轉換層形式，正確選擇建筑抗震類別是轉換層設計的關鍵點。此外，還應結合結構布置，正確選擇各分部的抗震等級，構件設計應注重抗震延性設計的概念，對主要構件進行加強是設計的重點，在可能的情況下做出較優(yōu)的設計方案。只有這樣，才能實現(xiàn)擬建項目的安全、適用、經(jīng)濟等綜合目標。

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