有梁式轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

謝興華

（華藍設(shè)計（集團）有限公司）

前言

在高層建筑中，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)有重要作用，是保證功能正常發(fā)揮和建筑正常使用的關(guān)鍵構(gòu)件，同時也是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中的重點，應(yīng)引起相關(guān)設(shè)計人員的高度重視，以保證設(shè)計的合理性。

1 工程概況

某高層建筑總建筑面積約2.6萬m2，地上22層，設(shè)1層地下室，其中，地上1層至地上4層主要用于商業(yè)，地上1層的層高為5m，地上2層至地上4層的層高為4m，結(jié)構(gòu)形式為框筒結(jié)構(gòu)。地上5層至地上20層主要用于居住，層高均為3m，結(jié)構(gòu)形式為剪筒結(jié)構(gòu)。地上21層至地上22層的層高均為3m，為屋面水箱與電梯機房。按照以上設(shè)計形式，需在地上4層和地上5層中間布置轉(zhuǎn)換層，并作為建筑的設(shè)備層。現(xiàn)圍繞本高層建筑實際情況，對其結(jié)構(gòu)設(shè)計作如下深入分析。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層技術(shù)方案

在高層建筑中，轉(zhuǎn)換層形式主要有以下幾種：箱形轉(zhuǎn)換層、梁式轉(zhuǎn)換層、桁架式轉(zhuǎn)換層與板式轉(zhuǎn)換層，以上轉(zhuǎn)換層均可產(chǎn)生較大的空間，對結(jié)構(gòu)類型或者是軸線進行轉(zhuǎn)換。上述幾種轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)中，以梁式轉(zhuǎn)換層的實際受力最為明確，無論是設(shè)計還是施工均較為簡單，在目前得到了十分廣泛的應(yīng)用；另外，轉(zhuǎn)換梁上實際受力相對較小的部分，可按照設(shè)計要求開洞，用于滿足不同的功能要求，為綜合管線布置創(chuàng)造便利。基于此，本高層建筑主要選用梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。該轉(zhuǎn)換層的高度為2.5m，梁體的上端、下端和樓板直接相連，上、下層樓板的厚度分別為200mm和300mm[1]。剪力墻直接被轉(zhuǎn)換梁承托。結(jié)構(gòu)主要采用C40混凝土。其截面尺寸采用以下公式進行計算和確定：

Vmax≤0.17fcbh0/γRE（1）

式（1）中，Vmax表示轉(zhuǎn)換梁支座截面最大剪力組合設(shè)計值；γRE表示抗震調(diào)整系數(shù)；fc表示軸心抗壓強度；b表示轉(zhuǎn)換梁的截面寬度；h0表示轉(zhuǎn)換梁的有效高度。經(jīng)計算，本高層建筑轉(zhuǎn)換梁的截面寬度為900mm，有效高度為2500mm。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)整體分析

對轉(zhuǎn)換梁而言，它屬于典型的桿件，能直接視作梁單元在高層建筑整體結(jié)構(gòu)分析過程中使用，將梁體軸線確定在上層樓板，樓板的下方為轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)[2]。為有效避免由于豎向剛度變化較大產(chǎn)生薄弱層，在設(shè)計過程中應(yīng)充分考慮剛度比，在沒有特殊要求的情況下，剛度比應(yīng)接近1：

式（2）中，Gi表示第i層結(jié)構(gòu)的剪變模量；Gi+1表示第i+1層結(jié)構(gòu)的剪變模量；Ai表示第i層抗剪截面在折算后的面積；Ai+1表示第i+1層抗剪截面在折算后的面積；Aw表示沿計算方向剪力墻結(jié)構(gòu)截面積；Ac表示柱截面積；hi表示第i層層高；hi+1表示第i+1層層高。

按照上述要求和規(guī)定，處在轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)以下的柱，其截面尺寸確定為1100mm×1100mm，剪力墻結(jié)構(gòu)的厚度為500mm和450mm，采用C45混凝土；處在轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)以上的剪力墻，周圍剪力墻結(jié)構(gòu)厚度為350mm，內(nèi)部剪力墻結(jié)構(gòu)厚度為250mm，采用C45混凝土。采用式（2）對x、y兩個方向上的剛度比進行計算，結(jié)果為1.73與1.51。從計算結(jié)果可以看出，結(jié)構(gòu)的第一到第三自振周期分別為：在x方向上，第一到第三自振周期分別為1.537s、0.449s和0.224s；在y方向上，第一到第三自振周期分別為1.717s、0.515s和 0.275s[3]。

4 高層建筑轉(zhuǎn)換梁設(shè)計

對于轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)，其直接承托處在轉(zhuǎn)換梁上部的剪力墻，受力相對較大，對保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與安全性有重要作用，為關(guān)鍵構(gòu)件。由于轉(zhuǎn)換梁的跨度在8.05～9.00m范圍內(nèi)，截面高2.5m，且跨高比在3.22～3.60范圍內(nèi)，所以為典型的連續(xù)短梁。因現(xiàn)行規(guī)范并未給出連續(xù)短梁的承載力計算與分析方式，所以應(yīng)進行試驗分析與研究[4]。

4.1 結(jié)果與分析

將按1：5的比例縮小的轉(zhuǎn)換梁作為試驗梁，其截面尺寸與配筋如圖1所示。

圖1 試驗量截面尺寸與配筋

從試驗梁的試驗分析結(jié)果可以看出：

（1）在正截面上產(chǎn)生的平均應(yīng)變，能滿足平截面基本假定。

（2）對于斜裂縫，先在加載點到中支座的內(nèi)剪跨區(qū)段的梁腹中部產(chǎn)生，為典型的腹剪式斜裂縫，經(jīng)發(fā)展后，變成臨界式斜裂縫。

（3）頂部縱筋與底部縱筋在梁長方向上的應(yīng)變?nèi)鐖D2所示。

圖2頂部縱筋與底部縱筋在梁長方向上的應(yīng)變

圖2 中，（a）表示斜裂縫產(chǎn)生以前，-F為34.2kN；（b）表示斜裂縫產(chǎn)生以后，-F為226.8kN；（c）表示發(fā)生臨界破壞，-F為408.7kN。1為底部縱筋在梁長方向上的應(yīng)變；2為頂部縱筋在梁長方向上的應(yīng)變。

從以上結(jié)果可以看出，斜裂縫產(chǎn)生以前，應(yīng)變分布和彎矩圖基本保持一致；而斜裂縫產(chǎn)生以后，和彎矩圖有很大的差別，這說明梁中應(yīng)力出現(xiàn)重分布；在到達臨界破壞狀態(tài)后，底部縱筋在梁長方向上將處在受拉的狀態(tài)，同時對于頂部縱筋，其在內(nèi)剪跨中，同樣也處在受拉的實際狀態(tài)[5]。

（4）當試驗梁發(fā)生破壞時，在內(nèi)剪跨區(qū)段中，直接穿越整個臨界斜裂縫區(qū)域的箍筋，將開始受拉屈服，使剪壓區(qū)中的混凝土發(fā)生壓疏；在外剪跨區(qū)段當中，箍筋實際應(yīng)變只有屈服應(yīng)變的一半左右，這一區(qū)域內(nèi)的混凝土不會發(fā)生壓疏。

（5）當試驗梁發(fā)生破壞時，直接穿越整個臨界斜裂縫區(qū)域的腹筋，其拉應(yīng)變只有屈服應(yīng)變一半，由此可以看出，腹筋并未發(fā)揮其應(yīng)有的強度與作用。

（6）對試驗梁而言，其相對撓度可以達到1/526，這在很大程度上說明轉(zhuǎn)換梁具有一定抗彎剛度。

4.2 承載力的計算

根據(jù)以上第一條試驗結(jié)果，對于轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)正截面上的受彎承載力，其計算可直接按照普通梁進行。根據(jù)以上第四條和第五條試驗結(jié)果，對于轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)斜截面上的受剪承載力，由箍筋與混凝土負責承擔，腹筋對斜截面上的承載力有11%左右的貢獻。基于此，在實際的設(shè)計過程中，對腹筋作用可不予考慮，只作為一種安全儲備，具體的計算公式為：

式（3）中，λ表示計算剪跨比；ft表示混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉強度；fyv表示箍筋的抗拉強度；Asv表示相同截面中，箍筋上各肢截面積；s表示箍筋之間的距離；b表示轉(zhuǎn)換梁的截面寬度；h0表示轉(zhuǎn)換梁的有效高度。

4.3 構(gòu)造要求

根據(jù)以上第三條試驗結(jié)果，為有效保證縱筋充分發(fā)揮拉桿作用與效果，以此形成穩(wěn)定的受力體系，處在底部的縱筋一般不允許在跨中產(chǎn)生截斷與彎起，需要伸入到支座當中，同時有穩(wěn)定可靠的錨固；而處在頂部的縱筋，跨中周圍不能過早發(fā)生截斷，在條件允許的情況下進行通長布置[6]。

對于轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)，且截面尺寸相對較大，在梁高方向上需配置腹筋，腹筋能提供受剪及受彎承載力，這樣無論是減少收縮還是延緩開裂，都具有重要作用。截面尺寸主要根據(jù)剪壓比進行控制，根據(jù)以上第二條試驗結(jié)果，同時結(jié)合深梁及腹梁等的截面尺寸規(guī)范要求，轉(zhuǎn)換梁的實際截面尺寸必須符合式（1）要求。

另外，在整體結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)換梁為關(guān)鍵構(gòu)件，對保證結(jié)構(gòu)安全有重要作用，正常條件下，不允許產(chǎn)生裂縫，其截面尺寸必須滿足以下要求：

式（4）中，Vs表示在不考慮地震條件時的支座截面剪力短期效應(yīng)組合值。

5 結(jié)束語

通過以上分析可得，梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的受力十分明確，而且在設(shè)計與施工上也較為簡單；本高層建筑所用轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)為典型的連續(xù)短梁，無論是構(gòu)造要求、受力性能還是承載力的設(shè)計計算，都和普通梁存在很大的不同，需要在設(shè)計過程中予以特別重視，保證設(shè)計的合理性與可行性。

[1]姚建勇.有梁式轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計研究[J].低碳世界，2016（34）：168～169.

[2]肖禮斌.有梁式轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究[J].建材與裝飾，2014（41）.

[3]候 楠.有梁式轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計分析[J].居舍，2017（24）：20～22.

[4]李云.有梁式轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究[J].低碳世界，2016（24）：150～151.

[5]覃永敘.有梁式轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].中華民居（下旬刊），2013（9）：36～37.

[6]劉志學.有梁式轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].房地產(chǎn)導(dǎo)刊，2013（21）：21～23.