高层建筑梁式转换层结构设计理论与实践探索

2015-11-04孙医谯

建材与装饰 2015年38期

关键词：梁式剪力剪力墙

孙医谯

（安徽省建筑设计研究院有限责任公司　安徽合肥　230000）

高层建筑梁式转换层结构设计理论与实践探索

孙医谯

（安徽省建筑设计研究院有限责任公司安徽合肥230000）

随着我国城市化建设步伐的不断加快，高层建筑成为了城市化发展的主要方向，因此，在高层建筑设计中，由于建筑功能的需要经常会出现转换结构，而设计人员在进行转换结构设计时，必须采用合理的设计方法才能设计出最优的高层建筑转换层结构设计方案，本文以某工程实例对高层建筑梁式转换层的设计理论与实践进行详细的探讨。

高层建筑；梁式转换层结构；设计理论；工程运用

1　高层建筑梁式转换层结构的设计理论分析

1.1转换层结构受力特点分析

高层建筑梁式转换层结构的传力路径是：墙—转换梁—柱，且传力明确、直接，工程计算、分析和设计都非常方便。

转换大梁是高层建筑梁式转换层的主要受力构件，其受力形式和受力大小和上部结构的形式、转换梁的位置、转换梁上下层相对刚度等有直接的关系。因此，在水平荷载作用下，具有转换层的高层结构表现出不同的受力性能，大量工程实践表明，只要转换梁上的墙体具有一定的长度，无论墙体采用何种形式，则考虑墙体后转换梁中的弯矩明显小于不考虑上部墙体时的弯矩，相应墙体下的转换梁在一定范围内存在受拉区。转换梁的最终受力状态由墙体、转换梁作为一个整体共同发生弯曲变形和拱效应。

墙体、转换梁整体发生弯曲变形，在这个整体中转换梁属于受拉翼缘，若对转换梁进行单独分析，由于剪力墙的作用其所受弯矩大大降低，同时，转换梁属于受拉翼缘，应力会使转换梁中出现轴向拉力。由于存在竖向传力拱的作用，使上部竖向荷载传到转换梁时，大部分荷载以斜向荷载的形式作用于转换梁上[见图1（b）]，将这斜向荷载等效成垂直荷载和水平荷载形式[见图1（c）、（d）]，在垂直荷载作用下转换梁的弯矩明显小于比不考虑上部墙体作用时的弯矩[见图1（a）]，在水平荷载作用下，在转换梁跨中一定范围内就会出现轴向拉力，而支座则会受到轴向压力的作用。

图1　转换梁受力机理

1.2梁式转换层结构的设计遵循原则

带转换层的高层建筑结构，是一种受力形式复杂、不利于抗震的复杂结构体系，当需要考虑抗震设计时，整体结构设计需要遵循以下原则：①传力直接，避免出现多次转换。在进行转换层上下层主体竖向结构布置时，要尽量做到水平转换结构具有明确直接的传力路径，通过对结构进行合理的布置，使上部荷载通过转换托梁直接传给竖向承重构件，尽可能的避免水平多级转换，实现传力路径的最短化。②加强下部结构、弱化上部结构。要保证转换层底部结构具有足够的强度、刚度、延性和抗震能力，适当增强转换层下部主体结构的刚度，降低转换层上部主体结构的刚度，尽量保证转换层上下部主体结构的刚度和变形接近，避免出现结构薄弱层。③计算准确。在进行计算时应将转换层作为整体结构中的组成部分，根据结构的实际受力变形状态建立准确的计算模型，利用PKPM或其他结构分析软件进行三维空间整体结构计算分析。对转换层应采用有限元软件进行局部补充计算，根据规范规定，转换结构局部计算模型应包括转换层、转换层以上至少2层结构和所记入楼层的平面内刚度，并考虑结构的三维空间盒子效应，采用实际的边界条件进行计算分析。

2　高层建筑梁式转换层结构设计案例分析

2.1工程概况

某综合大楼，2层地下室，地上28层，建筑高度99.7m。其中裙房1～4层为商业楼层，5～28层为住宅楼。本工程上下部建筑功能不同，上部住宅部分采用小开间的剪力墙，商业楼层，主楼向外延伸若干榀裙房框架，建筑功能需要大开间的结构布置，部分剪力墙不能落地。综合整个功能布局，本工程在4层设置转换层，采用梁式转换的结构转换方式，转换层兼做设备层，整体结构为部分框支剪力墙结构，如图2所示。

图2　转换层结构平面图

2.2抗震等级的确定

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010），本工程为丙类建筑，抗震设防烈度为Ⅶ度，根据规范3.9.3条，本工程框支框架及底部加强部位的剪力墙抗震等级为一级。又根据10.2.6条，当转换层设置在3层及3层以上时，其框支柱、剪力墙底部加强部位的抗震等级需提高一级采用。由于本工程转换层设置在第四层，属于“高位转换”，综合以上规定，本工程框支框架和底部加强部位的剪力墙抗震等按特一级采用，其他构件的抗震等级如表1所示。

表1　抗震等级的设计

2.3转换梁设计

高层梁式转换结构，其转换梁的承载力通常都是斜截面受剪承载力起控制作用。①斜截面受剪承载力主要由混凝土和箍筋承担，虽然梁水平腰筋也能分担一部分剪力，但通常在计算时不予考虑，仅作为结构的安全储备。因此适当提高转换梁的水平腰筋不但可以减少裂缝的产生，而且还能增强转换梁的受剪承载力。②转换梁的正截面受弯承载力计算按照普通梁进行计算。③由于转换梁的尺寸比较大，使得其上部结构荷载在转换梁上产生了一定的偏心距，进而产生扭矩，然而转换梁自身的抗扭承载力比较低，因此在进行转换梁设计的过程中需要通过计算来确定转换梁的抗扭承载力，此外还可以通过设置双向转换梁来平衡扭矩。

当转换梁承托上部墙体满跨且不开洞时，转换梁协同上部墙体共同工作，其受力特征和破坏形态类似深梁，此时转换梁的截面设计宜采用深梁截面设计方法或应力截面设计方法，且纵向钢筋应沿全梁高均匀进行布置。由于转换梁跨中很大范围内的内力比较大，因此对于梁底部纵向受力钢筋宜全梁贯通，并全部伸入支座，满足锚杆要求。当转换梁承托上部墙体为小墙肢时，此时转换梁可以按照普通梁进行截面设计和配筋计算，纵向受力钢筋可集中布置在转换梁的底部。

2.4框支柱的设计

在本工程中框支柱是非常重要的构件，为确保框支柱的安全性，在进行设计时对柱端的剪力和柱端弯矩乘以相应的放大系数，每层框支柱承受剪力之和取底部总剪力的30%。当采用计算机进行计算时，通常都会假定楼板刚度无限大，水平剪力按照竖向构件的刚度进行分配。而底部剪力的墙刚度远远大于框支柱的刚度，使得框支柱分配的剪力非常小。然而在实际工程中，楼板也会发生变形以及剪力墙裂缝，都会造成底部剪力墙刚度的下降，进而会增大框支柱的剪力。因而我国现行规范对底部框支柱的剪力增大也做出了单独的规定。此外，为了加强转换层与上下层的连接，框支柱内的纵筋应伸入上部墙体内一层；其余在墙体范围外的纵筋则应锚入转换层梁板内，并满足锚固要求。本工程对框支柱按照1.3%的配筋率进行配置纵向钢筋，按照1.64%的配箍率进行箍筋的配置。

2.5转换层楼板的设计

根据传力途径，水平剪力通过转换层传到下部结构，此时转换层楼板平面内受力很大，楼板会发生很大的变形，因此对于转换层楼板应适当加厚，本工程转换层楼板厚度为200mm的现浇板，厚板有利于转换层在其平面内进行剪力重分配，同时增强了转换梁的侧向刚度和抗扭刚度，在一定程度上也满足了在进行结构整体计算时对楼层刚度无限大的基本假定。本工程转换板的混凝土强度采用C40，并采用双层双向钢筋，每排钢筋的配筋率为0.28%，此外转换层楼板应尽量避免大开洞，当无法避免时应在洞口四周设置暗梁，且楼板的开洞位置尽量远离外侧边，并适当的加强转换层相近的楼板。