關(guān)于建筑工程中混凝土結(jié)構(gòu)梁式轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)技術(shù)的研究

葉錦俊

（廣東省建科建筑設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州 510000）

0 引言

在高層建筑的設(shè)計(jì)中，為了滿足建筑的使用功能需求，在高層建筑的底層，在上層樓層的一些垂直構(gòu)件（剪力墻、框架柱）無法直接連續(xù)貫通落地的時(shí)候，就需要設(shè)置一個(gè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，并在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層中布置轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，我們將該結(jié)構(gòu)稱為具有轉(zhuǎn)換層的復(fù)雜高層建筑。帶轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)是一把雙刃劍。從建筑的使用功能來看，它無疑是將底層的無柱空間進(jìn)行了擴(kuò)展，這樣就可以最大程度地提高建筑布局的靈活性，適合在大型商場等的運(yùn)營。但是，從抗震的角度來看，在轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)中，有一些豎向抗側(cè)力構(gòu)件并沒有貫通，而是利用水平轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，將上面的豎向荷載轉(zhuǎn)移到下面的豎向荷載，這樣的話，傳力途徑就會(huì)發(fā)生根本的改變，因此，傳力途徑會(huì)進(jìn)行多次的轉(zhuǎn)換，從而使其受力變得更加復(fù)雜。此外，在轉(zhuǎn)換層中，豎向剛度和剪力都會(huì)出現(xiàn)突變，很容易形成一個(gè)薄弱的區(qū)域。此外，在偏心載荷的作用下，轉(zhuǎn)換梁還會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，這對抗震非常不利。因此，如何對轉(zhuǎn)換層進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，就顯得尤為重要[1]。

梁式轉(zhuǎn)換層在高層建筑中的使用日益廣泛，其傳力明確，受力性能良好，工作可靠，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單，施工方便，造價(jià)節(jié)省。它是一種廣泛使用于高層建筑中的轉(zhuǎn)換層。

1 梁式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在建筑結(jié)構(gòu)底層，如果梁式轉(zhuǎn)換層設(shè)置在較高的樓層，將會(huì)引起轉(zhuǎn)換層上、下兩個(gè)樓層的剛度發(fā)生突變，造成剪力墻出現(xiàn)開裂，從而引起梁式轉(zhuǎn)換層的內(nèi)力增加，影響轉(zhuǎn)換層的穩(wěn)定，降低建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力。為此，需要對梁式轉(zhuǎn)換層進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并對轉(zhuǎn)換層進(jìn)行合理的內(nèi)力調(diào)節(jié)，增強(qiáng)梁式轉(zhuǎn)換層的承載能力，并選擇合適的轉(zhuǎn)換件，以確保建筑的使用功能。

1.1 梁式轉(zhuǎn)換層的內(nèi)力調(diào)整

從建筑物轉(zhuǎn)換層抗震理論和有關(guān)的分析結(jié)果中可以看出，在對建筑物梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，可對框支柱、轉(zhuǎn)換梁等轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的內(nèi)力設(shè)計(jì)進(jìn)行合理的調(diào)整，從而提高建筑樓層的最小水平地震承載力，保證在建筑結(jié)構(gòu)遇到地震時(shí)，樓層之間的梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)還具備一定的彈性，從而降低地震對建筑物造成的影響。在此基礎(chǔ)上，通過對梁式轉(zhuǎn)換層在縱向和橫向兩個(gè)方向上所承受的內(nèi)力進(jìn)行合理的調(diào)節(jié)，確保框架梁和剪力墻的承載能力滿足設(shè)計(jì)要求，確保該建筑梁式轉(zhuǎn)換層具備雙側(cè)抗側(cè)能力。對彈性階段的設(shè)計(jì)內(nèi)力做出相應(yīng)的調(diào)整，以確保建筑物梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)擁有一定的抗震性能[2]，與此同時(shí)，還要保證一些重要的部件及普通豎向部件擁有一定的抗剪彈性和抗彎曲性，還可以讓建筑梁式轉(zhuǎn)換層的一些部件處在非彈性工作狀態(tài)，這樣可以將施工設(shè)計(jì)成本降到最低。不過，要特別指出的是，非彈性梁式轉(zhuǎn)換層的部件應(yīng)該具備抗剪截面，還要定期對梁式轉(zhuǎn)換層的內(nèi)力大小、抗震性能等重要信息進(jìn)行檢測，并對梁式轉(zhuǎn)換層中出現(xiàn)的裂縫進(jìn)行修復(fù)，這樣才能保證建筑物結(jié)構(gòu)的抗震性能不會(huì)受到影響。

1.2 加強(qiáng)梁式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

適當(dāng)提高轉(zhuǎn)換梁錯(cuò)層區(qū)域的樓板強(qiáng)度，將樓板厚度提高到18cm，并進(jìn)行雙層雙向配筋，確保配筋率不小于0.25%。在對建筑物上、下樓層梁式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，必須確保新增的框支柱與框支梁之間的間距不大于4m，并且要比地板高度低。當(dāng)門、窗開口寬度大于1.2m，并且不與剪力墻重疊時(shí)，在開口兩邊加框架支撐梁。同時(shí)，在外墻面上的雨棚門開口兩邊各加一根框架支撐，以確保框架支撐的高度與層高一致。若電梯井道需進(jìn)行梁式轉(zhuǎn)換層的強(qiáng)度優(yōu)化，則需在井道4 個(gè)角落處布置充足的框架支撐，以提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，并在框架梁上加設(shè)兩根三級鋼筋，并將其貫穿。與此同時(shí)，如果建筑物填充墻前面一定范圍內(nèi)沒有重要的建筑構(gòu)件，或者沒有豎直的墻體，那么就應(yīng)該按照特定的施工需要，在墻體的前端增加一個(gè)框支柱。當(dāng)填充墻的長度超過5m 或?qū)痈叱^設(shè)計(jì)需求的時(shí)候，就必須在填充墻的中部增設(shè)框支梁，并且它與框支柱的距離間隔不超過4m。這里要特別指出的是，如果填充墻頂部端口不存在垂直墻體或其他構(gòu)件，那么就應(yīng)該確?？蛑еc框支梁的距離間隔不超過3m，以避免墻體應(yīng)力過大，從而對建筑結(jié)合的抗震性能造成一定程度的影響[3]。

2 梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 計(jì)算考慮要周全，受力模型清晰

在電算過程中，應(yīng)該將轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)視為整體結(jié)構(gòu)中的一個(gè)重要部分，使用與實(shí)際受力、變形狀況相一致的計(jì)算模型，來展開三維空間整體結(jié)構(gòu)的計(jì)算和分析，在需要的時(shí)候，應(yīng)該使用有限元方法（如PKPM 軟件中的FEQ 有限元分析程序）來對轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部的補(bǔ)充計(jì)算，并按照規(guī)范的要求，進(jìn)行彈性時(shí)程分析計(jì)算。

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）（簡稱《高規(guī)》）第5.1.12 條，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)是一種復(fù)雜高層建筑，所以應(yīng)該使用至少兩個(gè)不同力學(xué)模型的三維空間分析軟件，來對整體內(nèi)力位移進(jìn)行計(jì)算。例如，可以使用PKPM 軟件中的SATWE 和PMSAP 或其他SAP2000 等軟件。根據(jù)《建筑與市政工程抗震通用規(guī)范》（GB 55002—2021）第4.2.3 條，豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)的薄弱層在多遇地震下水平地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值對尚應(yīng)乘以1.15 的增大系數(shù)，根據(jù)《高規(guī)》第10.2.4 條，在8 級抗震設(shè)防的情況下，轉(zhuǎn)換件的垂直地震作用應(yīng)該被考慮[4]。

框支梁和轉(zhuǎn)換梁雖然同為一種結(jié)構(gòu)形式，但是二者在結(jié)構(gòu)形式上存在著較大的差異，在對其力學(xué)性能進(jìn)行分析之前，必須先對其力學(xué)性能進(jìn)行全面的分析。簡而言之，框支梁指的是在一般剪力墻之下的框架梁，而轉(zhuǎn)換梁指的是在較小的剪力墻之下或柱子之下的框架梁；轉(zhuǎn)換梁僅承受彎矩和剪力，是一種正常的受彎構(gòu)件；框支梁同時(shí)承受拉力，是一種偏心受拉的構(gòu)件，與磚木框架中的墻梁相似；轉(zhuǎn)換梁兩邊的地板層與正常地板層相同，但在框支梁兩邊的地板層除了具有正常地板層的功能之外，還承擔(dān)著共同的受力功能；轉(zhuǎn)換梁與框架梁在受力上有很大區(qū)別，其結(jié)構(gòu)形式及配筋方式也有很大區(qū)別。

2.2 轉(zhuǎn)換梁的設(shè)計(jì)

在進(jìn)行轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，要盡量避開開洞，并且要按照建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，對轉(zhuǎn)換梁上、下弦桿箍筋的剪力進(jìn)行嚴(yán)格的控制，并按照有關(guān)的抗震設(shè)計(jì)要求，將轉(zhuǎn)換梁上、下主筋的最小配筋率設(shè)定在0.3%～0.5%[5]。在展開轉(zhuǎn)換梁中的主筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，要使用機(jī)械連接的方法，將豎向鋼筋之間的接頭進(jìn)行緊密的連接，并且要確保接頭連接面積不超過主筋截面積的50%，要確保轉(zhuǎn)換梁上部50%的主筋沿梁結(jié)構(gòu)全長貫通，與此同時(shí)，下部主筋必須全部貫通到框支柱的內(nèi)部。并以轉(zhuǎn)換梁的高度為依據(jù)，對特定區(qū)域的箍筋進(jìn)行加密，確保加密箍筋的直徑超過0.01m，間隔不超過0.1m，并且符合建筑物的地震等級要求，將加密箍筋的最小面積配箍率控制在0.5%～0.8%。力傳遞方式如圖1 所示。

圖1 力傳遞方式

2.3 框支柱的設(shè)計(jì)

在建筑結(jié)構(gòu)梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)經(jīng)過結(jié)構(gòu)調(diào)整和優(yōu)化后，框架支撐柱的柱頂彎矩需按建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)按1.25～1.5 倍放大系數(shù)進(jìn)行放大。與此同時(shí)，要按照框架支撐的個(gè)數(shù)來對框架支撐進(jìn)行剪切設(shè)計(jì)，確?？蚣苤蔚募羟性O(shè)計(jì)和柱頂彎矩的匹配，并要嚴(yán)格確保框架支撐的軸力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。以建筑物的地震等級為依據(jù)，對框支柱的縱向鋼筋配筋率展開設(shè)計(jì)，當(dāng)建筑物的地震等級為一級的時(shí)候，要確?？v向鋼筋的配筋率不會(huì)低于1.2%，在地震等級為二級的時(shí)候，配筋率不會(huì)低于1.0%，還要確保框支梁的縱向鋼筋間距不會(huì)小于0.08m，不會(huì)大于0.2m，并且為了確?？蛑е慕Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度，降低設(shè)計(jì)施工成本，需要確?？蛑е目v向鋼筋配筋率不會(huì)超過4%，并沿著框支層對框支柱的箍筋進(jìn)行加密。同時(shí)，對加密箍筋的體積配箍率進(jìn)行了研究，得出了加密箍筋的體積配箍率為1。為了確保框支柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的，應(yīng)該選擇復(fù)合螺旋箍或井字復(fù)合箍對框支柱進(jìn)行箍筋設(shè)計(jì)，并且箍筋的直徑應(yīng)該超過0.01m，并且以框支柱縱向鋼筋直徑的6 倍作為箍筋間距，并且其間距應(yīng)該超過10cm。

2.4 框支梁的設(shè)計(jì)

在確定框支梁斷面時(shí)，要考慮到梁式轉(zhuǎn)換層所承受的剪切和荷載的比例，其斷面寬度為2 倍，不能超過0.4m，并按框架支撐的高度來確定框支梁斷面高度。因?yàn)榭蛑Я菏橇菏睫D(zhuǎn)換層的主要受力結(jié)構(gòu)，它是建筑物剪力墻結(jié)構(gòu)抗震抗剪性能的重要保障，它的受力十分復(fù)雜。所以，在對框架梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)該準(zhǔn)備好多個(gè)設(shè)計(jì)方案，并在框支梁上設(shè)計(jì)出一種安全減震結(jié)構(gòu)，根據(jù)建筑物抗震等級要求，確保框支梁縱筋配筋率不低于0.8%。因?yàn)榭蛑Я菏且环N偏心受拉型建筑構(gòu)件，在梁結(jié)構(gòu)中會(huì)有一定大小的軸力。為了確?？蛑Я旱姆€(wěn)定性，需要在框支梁的中部設(shè)置一定數(shù)量的腰筋，并且沿著框支梁水平布置，腰筋間距不大于0.2m，并且要嚴(yán)格確保將腰肢嵌入框支梁的支座之內(nèi)?？蛑Я菏且环N具有較大承載能力的新型建筑，它是一種具有較高承載能力的新型建筑，在設(shè)計(jì)時(shí)，必須按照“強(qiáng)剪弱彎”的設(shè)計(jì)理念，嚴(yán)格控制縱向鋼筋數(shù)目，并對配箍進(jìn)行加固。

2.5 樓板的設(shè)計(jì)

梁式轉(zhuǎn)換層的樓板結(jié)構(gòu)將上部水平剪力傳遞至下部，容易引起樓板應(yīng)力分布不均勻，產(chǎn)生變形，為了確保樓板的穩(wěn)定，需采用0.2m 以上的現(xiàn)澆型鋼筋混凝土板，增加各層的橫向剛度，提高轉(zhuǎn)換梁的抗扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，提高樓板的抗震性能。在對樓板結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，必須確保混凝土的強(qiáng)度不低于C30，并且使用雙向雙層配筋，并且要確保其配筋率大于0.25%，與此同時(shí)，在梁式轉(zhuǎn)換層的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要添加1%的鋼纖維，以增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的抗切強(qiáng)度，增強(qiáng)樓板的抗壓能力。在進(jìn)行樓面開口時(shí)，要注意不要開口太大，要在開口附近設(shè)置轉(zhuǎn)換梁，同時(shí)要確保開口的距離不能超過梁式轉(zhuǎn)換層的外部。如果需要在地面上設(shè)置升降機(jī)，那么轉(zhuǎn)換層的混凝土墻體就應(yīng)該采用圓筒結(jié)構(gòu)，這樣就可以減少地面的應(yīng)力。

2.6 強(qiáng)化下部，弱化上部

為了確保底部大空間的整體結(jié)構(gòu)具有合適的剛度、強(qiáng)度、延性和地震性能，需要在轉(zhuǎn)換層底部的基礎(chǔ)上，盡可能地增強(qiáng)底部的主體結(jié)構(gòu)的剛度，削弱頂部的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的剛度和變形特性。可以采取如下措施。

（1）和建筑專業(yè)人員商量，盡量多地讓剪力墻落到地面，有需要時(shí)，還可以只在轉(zhuǎn)換層下面增加一部分剪力墻（剪力墻不伸出地面）。除了中心管如樓梯間、升降機(jī)等可設(shè)于下端之外，最好兩邊都有一面落于地面的剪力墻，這無疑會(huì)極大地提高底層的剛性；在考慮抗震的情況下，如果有多道剪力墻，那么在不地震的情況下，水平落地的剪力墻數(shù)量占水平剪力墻總數(shù)的比例最好不低于50%，而在不地震的情況下，水平落地的剪力墻數(shù)量占水平剪力墻總數(shù)的比例最好不低于30%；另外，落地式剪力墻之間的間隔不宜超過20m。

（2）在轉(zhuǎn)換層之下，增加落地剪力墻的厚度，而在轉(zhuǎn)換層之上，對于沒有落地的剪力墻，則應(yīng)盡量增加其間隔，使其變薄，使其變薄，既可以降低混凝土的使用量，又可以降低其剛度。

（3）對于具有過渡層的建筑，在過渡層的上部和下部的剛性比值必須加以控制。通過對轉(zhuǎn)換層之上的樓層高度進(jìn)行提升，可以對剪切剛度比進(jìn)行直接的改善。然而，通常轉(zhuǎn)換層之下的空間比較大，層高也比較高，而轉(zhuǎn)換層之上的大部分都是住宅，層高比較低，這就導(dǎo)致了剪切剛度比的增大。如果能夠在滿足建筑專業(yè)要求的情況下，增加轉(zhuǎn)換層之上的樓層高度，或者在住宅的底部增加一層設(shè)備層，將設(shè)備層和底層住宅設(shè)計(jì)成一個(gè)結(jié)構(gòu)層（在設(shè)備層與底層住宅之間的樓板與剪力墻等垂直構(gòu)件之間留有縫隙，將它們分開），這樣就可以使轉(zhuǎn)換層上下兩層剛度比的差異變得更小。

（4）為避免在轉(zhuǎn)換層下方的底板剪力墻上出現(xiàn)過多的孔洞，或設(shè)置較少的孔洞，以避免對墻體的剛度造成過大的弱化。

（5）對轉(zhuǎn)化層之下的底板剪力墻或底板柱進(jìn)行混凝土加固，使轉(zhuǎn)化層之下的結(jié)構(gòu)得到增強(qiáng)。

3 結(jié)語

在進(jìn)行梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，首先要對其進(jìn)行基本的理論研究，然后通過對其進(jìn)行分析和檢驗(yàn)，從而達(dá)到更好的設(shè)計(jì)效果。同時(shí)，合理的平面及豎向布局能夠使整個(gè)建筑成為一個(gè)很好的抗震系統(tǒng)，因此，在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)，需要對建筑進(jìn)行持續(xù)的研究，并對各種方案進(jìn)行對比，盡可能地制定出最優(yōu)的技術(shù)方案，以確保建筑的安全及經(jīng)濟(jì)。