高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設計方法論文

　　【摘要】為了能夠合理地設計轉(zhuǎn)換層構(gòu)件，設計師必須對高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層的整體結(jié)構(gòu)和受力情況進行分析和了解。論文以實際工程為例，對高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)抗震設計和結(jié)構(gòu)選型進行了探討，設計效果良好，具有一定的借鑒參考價值。

　　1引言

　　在高層建筑施工過程中，常見的結(jié)構(gòu)形式底層為公共娛樂場所或商場，上部為民用住宅。上部空間可以通過使用比較多的墻體來對空間進行分割，下部則設計為空間結(jié)構(gòu)更加靈活的大柱網(wǎng)結(jié)構(gòu)。這樣,建筑的上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)之間的結(jié)構(gòu)差異比較大，為了達到設計要求，需要設計轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。常見的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)主要包括梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)、桁架轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)、厚板轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)等。在實際工程中，要求結(jié)合實際的建筑布局情況合理設計轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。

　　2工程概況

　　某建筑工程地上總建設層數(shù)為30層，地下為2層，總建筑高度為95m，地上裙樓5層，工程地下1層為地下車庫和賣場，1~4層為商場，第5層為會所，6~31層建筑為高級公寓。設計建筑抗震烈度為7級，轉(zhuǎn)換層設計在第6層樓面，如圖1所示。

　　3轉(zhuǎn)換層型式的選擇

　　1）梁式轉(zhuǎn)換層。其具有傳力明確、施工過程簡潔、設計簡單等特點。當建筑的上下軸線布置錯位時，次梁就需要經(jīng)過多次轉(zhuǎn)換，進而使得空間受力變得錯綜復雜。

　　2）箱式轉(zhuǎn)換層。其轉(zhuǎn)換梁具有穩(wěn)定性高、剛韌性強、整體感好、上下受力均衡等特點。在建筑轉(zhuǎn)換層的功能方面，轉(zhuǎn)換梁被當作“設備層”，且梁柱中間有許多的設備洞，使得建設過程變得復雜，成本也相應提高。

　　3）厚板式轉(zhuǎn)換層。其上部框架結(jié)構(gòu)的規(guī)劃對下部柱網(wǎng)影響不大，下部柱網(wǎng)可隨意布置，厚板剛度大，重量也大，由此形成了1個承接臺，整體效果好，施工程序簡單，但是厚板地震強度大，很容易形成震害，耗材量大，經(jīng)濟實用性差，成本高[1]。4）桁架式轉(zhuǎn)換層。與別的轉(zhuǎn)換層型式不同，框支柱柱頂彎矩和剪力的施工過程較為繁雜，且難度系數(shù)高，當發(fā)生軸線布置錯位時，難度系數(shù)將會增大。將建筑布局的實際情況和施工難易程度、經(jīng)濟成本等方面綜合起來考慮，則選擇梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)型式比較適合，該結(jié)構(gòu)也被稱作梁式框支剪力墻結(jié)構(gòu)。

　　4梁式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設計重點

　　4.1明確抗震等級梁式轉(zhuǎn)換層是一種最常見的高層建筑，由多種建筑結(jié)構(gòu)型式共同組成，其轉(zhuǎn)換層位于純剪力墻結(jié)構(gòu)和框架—剪力墻結(jié)構(gòu)之間，不同于一般的框架或剪力墻結(jié)構(gòu)。因此，其結(jié)構(gòu)抗震等級的確定也更加嚴格，各個部位結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震等級也應分別依照專門的規(guī)章制度來確定，這是整個設計的關鍵所在。表1為本建筑工程各部位的抗震等級，對于乙類建筑工程主要依照如下規(guī)定：如果此區(qū)域的抗震設防烈度6～8度時，應該要求該工程的抗震設防烈度增加1度，以此來達到本地區(qū)抗震設防烈度的要求。

　　4.2結(jié)構(gòu)豎向布置為了防止剛度突變，一般高層建筑的側(cè)向剛度都采用上窄下寬，與帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)相反，因而在建筑設計過程中，針對性地對轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度作了具體要求，即上下等效側(cè)向剛度比值應在1左右，且不應超過1.3。在設計結(jié)構(gòu)豎向時，應嚴格遵循弱上強下的原則。一般有如下幾種方式。

　　1)與建筑專業(yè)協(xié)商，盡量增加貼地剪力墻的數(shù)目，在必要的時候可以在底部添設剪力墻(不伸上去)。核心筒部分的剪力墻根據(jù)相關要求必須設在底部。此外，還可通過進一步和建筑專業(yè)協(xié)商，在其兩側(cè)分別增加一片落地的剪力墻，底部強度在一定程度上會有所增強。

　　2)在轉(zhuǎn)換層以下剪力墻中，可以適當增加底部剪力墻厚度，其余部分和核心筒部分的厚度均取600mm。3)為了減少剛度的變化，底部剪力墻最好不開洞或者只開小洞。

　　4)選用C45混凝土(除框支柱運用C50混凝土外)可以增加墻混凝土、底部柱抗壓的強度等級。

　　5)為了增加建筑的穩(wěn)定性，通常采用弱化轉(zhuǎn)換層上部剛度的方式，主要通過在一些相對長的剪力墻中間打開結(jié)構(gòu)洞(在施工結(jié)束后再用填充墻補全)，嚴格控制剪力墻厚度和數(shù)目等方法[2]。弱化上部剛度，一方面可以使得結(jié)構(gòu)自振周期延長，地震作用力減弱；另一方面可以有效控制剛度比，同時建筑物的重量和框支梁承受的荷載也會相應有所減少。在工程結(jié)合了以上幾種方法后，得到轉(zhuǎn)換層上下剛度比在X方向為0.725，Y方向為0.813，符合要求，效果顯著。豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)是該工程的本質(zhì)屬性，所以，在上下部剛度比符合要求的前提下，還應將轉(zhuǎn)換層和其下各層的地震剪力擴大1.15倍，以此來改善這兩層之間的結(jié)構(gòu)薄弱程度。4.2規(guī)劃結(jié)構(gòu)平面一個完整的工程結(jié)構(gòu)布局一般由位于上部的純剪力墻結(jié)構(gòu)和下部的形態(tài)規(guī)則框架-剪力墻結(jié)構(gòu)組成。

　　為了提高抗扭的等級，在規(guī)劃結(jié)構(gòu)平面時，要求剪力墻左右對稱，偏心率很小，上下質(zhì)量與剛度中心誤差小于2m，沿周邊均一分布不包括核心筒。相關計算結(jié)果表明，各層水平位移上限與層間位移比均小于1.4，扭轉(zhuǎn)與平動第一自振周期比為0.85，都符合嚴控扭轉(zhuǎn)和平面規(guī)劃的規(guī)定。由此可見，合理規(guī)劃工程結(jié)構(gòu)布局可以在一定程度上增強抗扭效果。

　　5轉(zhuǎn)換構(gòu)件設計要求

　　5.1框支柱為了確�？蛑е�有最大化的抗壓能力，需對軸壓比進行嚴格把握，且軸壓比決定截面尺寸，其中框支柱截面尺寸應符合剪壓比規(guī)定�？蛑е�作為工程至關重要的核心部分，抗震級別為特一級，軸壓比應小于0.6，對部分"短柱"軸壓比應小于0.55，短柱主要是由于截面尺寸過大而形成。

　　此外，截面延性與配箍率有著密不可分的聯(lián)系，使得配箍率與一般框架柱相比大很多。在建筑工程施工過程中，箍筋需大于，全長被加密，同時配箍率應大于1.5%，但是有少數(shù)支柱同時被當做剪力墻端柱，對此配箍特征值需大于0.2，等價于配箍率(C50混凝土)2.64%;由此看來，采取措施控制邊緣構(gòu)件的配箍特征值顯得尤為重要。與此同時，柱端剪力和彎矩都需擴大一定的倍數(shù)，每層所負荷的剪力之和為基底的3/10，以此提高框支柱的安全系數(shù)[3]。在軟件程序計算時，理論上假設樓板剛韌性很大，剪力按照豎向的剛性水平分布，這樣使得框支柱遠小于底部剪力墻剛度，剪力變得很小。但是，在實際工程中，當出現(xiàn)樓板扭曲或剪力墻剛性突變時，框支柱剪力就會變大，為此對其作了針對性的規(guī)定。除此之外，為了增加轉(zhuǎn)換層的穩(wěn)定性，通過將支柱上部結(jié)構(gòu)的部分縱筋與下部結(jié)構(gòu)相連接，剩余的縱筋水平插入梁板內(nèi)，達到錨固強度要求。

　　5.2框支梁截面尺寸截面尺寸高度大于理論高度的1/6，寬度大于400mm，且大于其上部墻厚度的2倍，通常由剪壓比決定�？蛑е�在整個建筑中是一個錯綜復雜且必不可少的受力結(jié)構(gòu)，它不僅是上部和下部負載重量的傳送帶，而且處于確保剪力墻抗壓和抗倒塌的重要位置。所以，在設計框支梁截面尺寸時，要充分考慮工程的安全性，特一級抗震條件下的框支梁縱筋配筋率應大于0.6%，在符合計算的前提下，框支梁配筋率大于0.8%。框支梁中存在軸力，通常為重心偏離的受拉部件，因此需要配備更多可插進支座內(nèi)部、梁高間隔小于200mm，φ16mm的腰筋。針對如此重要的抗壓抗震構(gòu)件，應該在設計時遵循“強剪弱彎”的規(guī)則，在縱筋配置充足時，就更需要增強箍筋。箍筋全長都需加密，用的8肢箍，配箍率高達1.53%，最大限度地符合特一級抗震級別框支梁配箍率要求。

　　5.3轉(zhuǎn)換層樓板以轉(zhuǎn)換層為界限將框支剪力墻結(jié)構(gòu)分為上部和下部，其內(nèi)部受力按不同的規(guī)律分布。上部樓層根據(jù)各部分剪力墻的等效剛度比值進行負載水平力的分配，而下部樓層的水平剪力主要分布在落地剪力墻上，且其與框支柱間剛度不同，使得轉(zhuǎn)換層在分配所負荷的重力時發(fā)生變化。轉(zhuǎn)換層的樓板本身受到很大的重力，且容易變形，通常扮演著分配上部和下部樓層受力的角色，因此樓板必須具備一定的剛度。此外，為了幫助轉(zhuǎn)換層樓板更好地完成剪力重分配工作，上下層樓板選用厚度均150mm。

　　6結(jié)語

　　總而言之，在高層建筑梁式轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)設計時，需要根據(jù)建筑的設計要求和功能要求科學地進行轉(zhuǎn)換層形式的選擇，根據(jù)各個部位抗震等級的要求，合理地對結(jié)構(gòu)進行布置，以保證高層建筑的質(zhì)量。

　　【參考文獻】

　　【1】JGJ3—2002.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術規(guī)程[S].

　　【2】章斌全.框支剪力墻轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設計探索[J].工程建設與設計，2003(2):8-10.

　　【3】高雪峰.轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設計的改進建議[J].建筑技術開發(fā)，2003(3):6-7.

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