探索超限高層建筑主次梁轉換層結構的設計

王凱

1 引言

隨著國內經濟社會水平的不斷提升，城市人口數量急劇增多。在進行城市規劃工作中，對于空間規劃有了更高的需求，這一期間城市中高層建筑的數量明顯提升。在進行高層建筑結構的設計過程中，由于建筑的層數較多，并且結構具有較大的系統性、復雜性，因此在進行設計工作時要對多方面的因素進行綜合考慮，同時還要對結構各部位的受力情況進行嚴謹的分析，對于相關參數的選取要經過仔細的分析、研究，進而提升高層建筑結構設計的安全性、可靠性。

2 轉換層結構的定義

一般來說，建筑工程上下部結構在使用功能方面會存在著較大的差異。對于結構轉換層來說，該樓層的上部和下部采用不同的結構類型，并且通過轉換層的設計，可以進行建筑結構方面的轉換。根據結構功能的不同，可以將轉換層大體分為兩類：①上層與下層結構類型的轉換。這一類型的轉換層多用于剪力墻結構以及框架－剪力墻結構中，同時通過轉換層的應用可以把上部剪力墻轉換成下部的框架，這樣一來就可以創造一個較大的內部自由空間；②上、下層的柱網、軸線改變。雖然轉換層的上部、下部結構形式沒有發生改變，但是通過轉換層的使用，可以使下層柱的柱距進一步擴大，進而可以形成大柱網。也就是說上部樓層剪力墻結構通過應用轉換層，可以進一步改變為框架結構，并且柱網軸線和上部樓層之間的軸線是錯開的，進而可以形成上下結構不對齊的布置狀況。

3 結構選型以及結構布置的分析

3.1 框架剪力墻的結構設計原理

由于受到使用功能方面的需要，建筑的底層結構一般需要較大的自由空間，因而經常采用框架剪力墻結構；建筑中層通常應用剪力墻結構進行過渡，但是對于較高樓層來說，它的內力傳遞需要經過轉換構件。如果采用厚轉換形式，它的傳力路線質量大，并且受力較為復雜、不清晰，這就造成了轉換層附近構件應力集中的問題。同時，由于受到造價費用的影響，因而現階段多采用主次梁轉換。

3.2 相對應轉換梁結構設計

由于超限高層建筑的主次梁結構有著較多的優勢，比如說施工過程較為簡單、受力明確，并且設計施工過程中開設的洞口大多在轉換梁受力較小的部位，因而這一結構能夠滿足建筑設施的管線布置以及建筑使用功能等方面的要求。在進行轉換梁的結構設計過程中，要針對具體的工程建設狀況來進行設計，進而提升超限高層建筑的穩定性與安全性。

4 超限高層建筑主次梁轉換層結構設計

4.1 延性剪力墻的設計

在進行剪力墻的剪應力設置過程中，對于剪應力水平結構的設置要參考實際工程的基數進行確定。超高高層建筑中的轉換層結構，其剪力墻在一般的地震狀況下水平剪應力為0.025。對于轉換層結構上層樓層的剪力墻來說，其剪應力相對較小（0.017）。因此，為了保證在一般地震狀態下建筑內部的剪力墻結構不發生剪切破壞。因而在進行項目設計過程中，要采用彈性態下的水平地震作用增大系數的方法進行轉換結構的設計。對于這一設計方法來說，其主體思路為：如果建筑工程結構在罕遇的地震條件下仍處于彈性狀態，那么要根據一般規范對罕遇地震以及多遇地震的水平地震影響系數進行合理的取值，這一過程中一般會取最大值αmax，這樣一來可以擴大多遇地震條件下的水平地震作用效果。同時，設計過程中還要將材料分項系數取為1.0，荷載分項系數也要取為1.0。在對內力結構進行設計時，要確保G+βT=R+6.95E。其中，式中的G表征重力荷載作用一般值，R表征多遇地震條件下，水平地震影響下的標準值。應用這一方法進行設計時，可以確保罕遇地震作用下，超限高層轉換層的剪力墻可以承受最大的剪應力為0.146。這樣一來，能夠保證在罕遇地震的條件下，剪力墻不會出現剪切破壞等一系列的問題。

4.2 風力負荷載重和地震作用下超限高層層間位移角的控制

在地震荷載的作用之下，要確保超限高層建筑工程的穩定性和安全性，就要嚴格按照相關規定做好地震基底剪力以及重力荷載的取值工作。同時，設計過程中還要在一定程度上對建筑結構層的底部加強區域剪力墻進行控制，并且要對其他部位的剪力墻以及框架支柱、非框架支柱的軸壓比進行合理的控制。

4.3 轉換層樓板平面內的剛度控制

在進行高層建筑的施工工作時，大多的樓板是采用現澆混凝土的方式進行施工。一般來說，施工過程中樓板的厚度在200mm左右。這一過程中，要控制好轉換層下層樓板平面內的剛度要求，提升轉換層的性能。同時，還要對樓板的厚度進行嚴格的控制，大多數的轉換層下層樓板的厚度主要為150mm左右。從結構的布置方面來看，設計過程中最好要確保轉換層樓板的對稱性能，同時還要控制好薄弱部分樓板的厚度，并且要對配筋密度進行嚴格的控制。

5 案例分析

5.1 工程概況

某超限高層建筑工程位于廣州市某地，施工現場呈長條型布置。建筑的總體面積達到了125456m2。其中，地上部分的面積占到了112520m2，地下部分的面積是12951m2。設計過程中，嚴格按照廣州市規劃局以及相關開發商的要求進行，該建筑此主要以商品住樓為主，同時還包含一些辦公樓。該工程地下部分是兩層，地上部分有31層。該工程的第一層為商場，第二層以及第三層作為辦公使用，第四層就是會所并且還是建筑的結構轉換層，因而對于空間的要求較大，設計過程中主要采用框架剪力墻的結構。建筑的5到31層是住宅。設計過程中，由于考慮到厚板轉換的受力較復雜，并且質量大、造價高，因而采用了主次梁轉換設計，圖1為轉換層結構平面布置圖。

圖1 轉換層結構平面布置圖

5.2 主次梁轉換層結構設計分析

就該工程來說，屬于丙類的建筑群，并且抗震設防烈度為Ⅶ度。設計過程中，基本地震的加速度值取為0.1g。建筑地面的粗糙度是C類，并且建筑體形系數μs取為1.4。設計過程中，應用PMSAP進行樓板應力大小的分析，并且對結構的自振周期以及剪重比、基底等相關參數進行設計。另外，設計過程中為了避免出現薄弱層，嚴格按照《高規》中附錄E要求進行樓層側向剛度的控制。在進行該工程轉換層結構設計時，轉換層上一層的剪力墻厚度為200～350mm，混凝土強度等級為C55。對于轉換層以及下部的結構來說，其剪力墻的厚度應加大為700mm，采用的混凝土為C60等級。另外，該超限高層建筑工程的轉換層和上層結構的等效側向剛度比γe是X向于Y向分別是0.9032和0.9125，對于這一數值符合《高規》中的相關規定。在進行結構平面布置工作時，對于扭轉進行了重點的考慮，下表1為該工程指標對比分析狀況。

5.3 超限高層建筑主次梁轉換層的結構設計要點

根據我國建設部頒布實施的《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》中的相關條款與規定，該工程屬于超限高層建筑。在設計過程中，為了提升建筑大空間的使用需求，同時為了滿足裙房剛度方面的要求，設計過程中對于上下結構的側向剛度比進行了嚴格的控制。這樣一來，能夠避免建筑沿豎向剛度變化太過懸殊的問題。嚴格控制轉換層上下結構的側向剛度比。設計過程中，為了確保一定比例的剪力墻落地，因而通過加大落地剪力墻厚度的形式來提升落地比例。同時，設計中也對落地剪力墻的混凝土強度等級進行了良好的控制。設計時降低了洞口的尺寸，并且確保縱橫墻連接，進而可以形成一個筒體結構。對于轉換層樓板平面內的整體性以及側向剛度的控制來說，主要使用現澆混凝土樓板的方式進行把控，并且板厚值取200mm。另外，對于轉換層上一層以及下一層的樓板平面內剛度進行了研究，并且將板厚確定為150mm。該建筑的結構布置采用左右對稱的方式，并且在一些薄弱部位，對樓板進行了加厚處理，同時對于樓板的配筋問題也進行了考慮。

6 結束語

進入21世紀以來，伴隨著國內建筑行業的快速發展，主次梁結構轉換層在超限高層建筑中得到了廣泛的應用。在進行轉換層結構設計工作時，設計人員要對施工現場的具體情況進行全面的分析與研究，并控制好設計工作的關鍵環節，不斷建筑結構安全性、可靠性與耐久性，促進我國建筑行業的健康、長遠發展。

表1 采用SATWE與YJK計算的工程指標對比分析

[1]祝偉昌，劉代平.淺談轉換層結構設計和施工[J].廣西大學學報，2012（9）：59～61.

[2]《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2002）[S].北京：中國建筑工業出版社，2002.

[3]趙恒晶.帶高位轉換層的框支剪力墻結構靜力彈塑性分析[J].結構工程師，2011（4）：45～46.

[4]錢佳茹，趙作周，葉列平.高層建筑結構設計[M].北京：中國建筑工業出版社，2012.