高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理及其應(yīng)用

摘要：近些年來，高層建筑建設(shè)越來越多，建筑高度越來越高，體型也越來越復(fù)雜，功能更加多樣化，轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)在高層建筑中得到廣泛的應(yīng)用，其可以滿足人們?cè)谕粭澊髽侵械牟煌枨螅缳徫铩⒉惋嫛⒆≌⑥k公等，超越了傳統(tǒng)功能單一的局限性。本文主要對(duì)高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，闡述其在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：高層建筑；梁氏轉(zhuǎn)換層；結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)；原理；應(yīng)用

前言

近些年來，隨著城市化發(fā)展進(jìn)程的不斷加快，為了滿足人們對(duì)建筑功能多樣化的需求，高層建筑平面布置與立面體型越來越復(fù)雜。其中較為常見的類型就是：下面為商場(chǎng)或者娛樂場(chǎng)所，上部為住宅。下部空間相對(duì)自由靈活，大柱網(wǎng)、少墻體，可以達(dá)到公共使用標(biāo)準(zhǔn)；上部主要利用墻體進(jìn)行分隔，達(dá)到住宅需求。此種設(shè)計(jì)，導(dǎo)致上部與下部設(shè)計(jì)區(qū)別較大，違背了常規(guī)的豎向布置。所以，在進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)的時(shí)候，可以考慮不同結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換的形式，保證建筑結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)的情況，實(shí)現(xiàn)建筑的功能要求。

一、梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)在高層建筑中應(yīng)用的設(shè)計(jì)原則

1、減少高層建筑的豎向構(gòu)件

在高層建筑的梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要最大限度的減少建筑物的豎向構(gòu)件。因?yàn)樵诮ㄖY(jié)構(gòu)中，應(yīng)用的豎向構(gòu)件越多，所需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換的功能結(jié)構(gòu)就越少，梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的剛性就會(huì)越小，最終就會(huì)影響整個(gè)建筑的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，造成安全隱患[2]。

2、對(duì)稱布置轉(zhuǎn)換柱和剪力墻

在對(duì)轉(zhuǎn)換柱和剪力墻的位置進(jìn)行布置的過程中，盡可能保證剪力墻和轉(zhuǎn)換柱的對(duì)稱性，轉(zhuǎn)換梁上面的轉(zhuǎn)換柱最好甚至在轉(zhuǎn)換梁的正中位置，這樣當(dāng)轉(zhuǎn)換梁發(fā)生變形的時(shí)候，轉(zhuǎn)換柱的柱腳就不會(huì)受到太大的影響，轉(zhuǎn)換柱也不會(huì)發(fā)生太大的形變，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換柱發(fā)生剪切和彎曲變形，影響梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的安全性。

3、保證梁式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)剛度

轉(zhuǎn)換層的剛度達(dá)不到要求會(huì)影響建筑物的抗震效果，因此，在梁式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一定要保證梁式轉(zhuǎn)換層的剛度。在梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，通常要求梁的高度要比跨度大至少12%，并且施工所使用的混凝土要是性能最高的混凝土，這樣才能夠保證轉(zhuǎn)換層的剛度，在滿足建筑物安全性要求的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)建筑物功能的轉(zhuǎn)換[3]。另外，在對(duì)剪力墻和轉(zhuǎn)換柱進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，也要充分考慮兩者的受力情況，對(duì)兩者性能進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，只有這樣，才能夠起到良好的轉(zhuǎn)換作用。

4、轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)位置不能過高

在對(duì)梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，一定要注意控制轉(zhuǎn)換層位置的高度，保證其在合理的范圍內(nèi)，否則，一旦轉(zhuǎn)換層高度超過建筑物的標(biāo)準(zhǔn)要求，就會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換層的剛度降低、轉(zhuǎn)換柱和轉(zhuǎn)換梁的受力增大，容易發(fā)生變形和超筋現(xiàn)象，影響建筑物的抗震效果。如果因?yàn)榻ㄖ锕δ苻D(zhuǎn)換需求，就要將轉(zhuǎn)換層的高度升高，則需要根據(jù)具體要求適當(dāng)增加轉(zhuǎn)換層的剛度以及轉(zhuǎn)換柱和轉(zhuǎn)換梁的性能，同時(shí)，嚴(yán)格限制落地剪力墻的間距。

5、對(duì)梁式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)進(jìn)行嚴(yán)格計(jì)算

梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中比較重要的一個(gè)部分，對(duì)整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的安全性和實(shí)用性有著比較重要的影響。因此，在對(duì)梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，為了保證梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和準(zhǔn)確性，一定要對(duì)在相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格計(jì)算。在根據(jù)建筑物的實(shí)際受力變形狀態(tài)構(gòu)建計(jì)算模型的時(shí)候，應(yīng)該通過三維空間的整體結(jié)構(gòu)對(duì)模型進(jìn)行整體分析，應(yīng)用有限元的方法來對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)實(shí)施局部的補(bǔ)充和計(jì)算，務(wù)必確保設(shè)計(jì)計(jì)算的準(zhǔn)確性。

二、梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、結(jié)構(gòu)形式

梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)也被稱為是梁式框支剪力墻結(jié)構(gòu)，它是利用下部的轉(zhuǎn)換大梁，將上部剪力墻落在框支梁上，再由框支柱支撐框支梁，形成一種獨(dú)特的支撐體系，達(dá)到轉(zhuǎn)換建筑功能結(jié)構(gòu)的目的。梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)是以剪力墻到轉(zhuǎn)換梁，再到轉(zhuǎn)換柱為力量傳導(dǎo)途徑，由于這種傳力途徑的表現(xiàn)形式直接、明確，計(jì)算、分析和設(shè)計(jì)都比較方便，而且施工也比較簡(jiǎn)單，所以在高層建筑功能轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，經(jīng)常使用梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。但是，梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)在于，如果建筑物的上下軸線的位置布置錯(cuò)位，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中就需要增加轉(zhuǎn)換梁的數(shù)量，導(dǎo)致建筑物的空間受力情況變得更加復(fù)雜，不利于建筑施工[4]。而在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，可以根據(jù)梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)根據(jù)建筑物轉(zhuǎn)換功能的具體要求，將轉(zhuǎn)換層分為如圖1所示的幾種不同結(jié)構(gòu)形式。

2、受力機(jī)理和設(shè)計(jì)分析

梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)是以剪力墻到轉(zhuǎn)換梁，再到轉(zhuǎn)換柱為力量傳導(dǎo)途徑，這種傳力途徑的表現(xiàn)形式直接、明確，比較方便設(shè)計(jì)的計(jì)算和分析。其中，轉(zhuǎn)換梁的受力情況主要受到傳導(dǎo)力量的剪力墻的剛度、轉(zhuǎn)換梁自身的剛度以及支撐轉(zhuǎn)換梁的轉(zhuǎn)換柱的剛度影響。因此，為了明確梁式轉(zhuǎn)換層的受力機(jī)理，相關(guān)研究人員以轉(zhuǎn)換梁所承托的層數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)換梁受力的影響為例，應(yīng)用了有限元程序?qū)ζ溥M(jìn)行了分析。分析結(jié)果表示，當(dāng)轉(zhuǎn)換梁的跨度不大于十二米時(shí)，轉(zhuǎn)換梁承托的層數(shù)標(biāo)準(zhǔn)為三層，但是以承托層數(shù)為四層或者是五層進(jìn)行計(jì)算時(shí)，偏差也沒有超過5%，在可承受范圍之內(nèi)。因此，在對(duì)承托層數(shù)為三到五層的梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，就可以直接以三層為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。導(dǎo)致這種情況出現(xiàn)的原因主要有兩點(diǎn)：其一，是因?yàn)檗D(zhuǎn)換梁正好處于結(jié)構(gòu)整體彎曲的受拉區(qū)，應(yīng)力積分后在轉(zhuǎn)換大梁中就會(huì)出現(xiàn)軸向拉力；其二，是因?yàn)榧袅w豎向力作用于轉(zhuǎn)換梁時(shí)，傳力方式就會(huì)由豎向傳遞變成了拱式傳遞，力量不會(huì)直接作用在轉(zhuǎn)換梁上，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)換梁中間位置出現(xiàn)拉力，支座出現(xiàn)軸向壓力。

3、梁式轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)要求

梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該根據(jù)建筑物具體功能轉(zhuǎn)換以及轉(zhuǎn)換層力量傳到的具體需要，依照建筑物轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)高度要求，在規(guī)定高度范圍內(nèi)在一個(gè)位置或者是多個(gè)位置靈活布置轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，同時(shí)，在對(duì)轉(zhuǎn)換層進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中，還要充分考慮建筑物的抗震要求，對(duì)轉(zhuǎn)換層的剛度進(jìn)行嚴(yán)格設(shè)計(jì)[5]。在對(duì)大底盤多塔樓的商住高層建筑的轉(zhuǎn)換層進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，塔樓的轉(zhuǎn)換層應(yīng)該設(shè)置在裙房的屋面層，并對(duì)屋面轉(zhuǎn)換梁、轉(zhuǎn)換層板的尺寸和厚度進(jìn)行加大加厚處理，以避免中間出現(xiàn)剛度特別小的樓層，影響建筑物抗震效果。在對(duì)普通多功能高層建筑的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，要嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)換層的位置高度，地震烈度為7度的地區(qū)，轉(zhuǎn)換層高度不能超過5層，地震烈度為8度的地區(qū)不能超過3層。

結(jié)束語

現(xiàn)在，在城市建筑中，高層建筑數(shù)量越來越過，其中還有很大一部分是屬于多功能高層建筑，這些建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同功能區(qū)對(duì)建筑空間的需求也不一樣，需要通過轉(zhuǎn)換層來實(shí)現(xiàn)功能轉(zhuǎn)換，增加了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度。當(dāng)前，在轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)用最廣泛的就是計(jì)算、分析和設(shè)計(jì)都比較簡(jiǎn)單的梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過其設(shè)計(jì)，更好的實(shí)現(xiàn)高層建筑的功能轉(zhuǎn)換需求。

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