高层建筑结构设计中的梁式转换层结构设计探讨

2023-01-11王秀梅北京四方继保工程技术有限公司北京100000

中国房地产业 2022年15期

文／王秀梅北京四方继保工程技术有限公司北京 100000

1、高层建筑梁式转换层结构概述

高层建筑的数量随着城市化发展不断增多，当前高层建筑通常为复合型多功能结构，建筑的1 ～3 层一般为娱乐场所或开间商铺，3 层以上则为正常的民用住宅结构，同一个建筑中融合了不同的使用功能。这种高层建筑的下部竖向构件相对稀疏，而上部竖向构件比较密集，为使上部竖向构件的内力安全有效地传递到下部竖向构件，转换层结构应运而生，而梁式转换传力途径明确、受力性能好、构造简单、施工方便，因此梁式转换层结构是高层建筑工程中使用最为频繁的转换层结构类型。梁式转换层结构设计特点：

1.1 协调性

在设计梁式转换层建筑过程中，根据梁式转换层自身复杂性，提升设计方案的合理性。应遵循相关设计标准规范要求，结合高层建筑对层数与刚度的要求，重视设计细节并重视变形问题，以提高高层建筑的稳定性与协调性。

1.2 多样性

梁式转换层结构具有多样化的特点，有许多结构类型，在设计过程中，设计人员需要全面考虑影响梁式转换层结构性能的因素，尤其要注意结构受力情况与稳定性。

1.3 不规则

梁式转换层结构呈不规则性，大底盘底部具有面积大、结构复杂等特点，其发挥的作用取决于应用的领域。一般建筑下面用于商业办公、酒店公寓等。

2、梁式转换层结构的设计原则

2.1 尽可能减少需要转换的竖向构件的数量

同一层，竖向构件减少的数量越多，其侧向刚度与上层楼层相比突变的越明显，在地震作用下上下两层的层间位移角以及剪力分布变化越大，因此结构设计过程中，应与其他专业相互配合协商尽可能地减少需要转换的竖向构件的数量。

2.2 科学设置转换层

带转换层高层建筑结构设计最重要的就是确保转换层结构上下刚度和承载力的合理性。想要保证转换层上下层结构之间的传力效果，设计人员进行结构布局设计时要将转换层上部竖向构件尽量直接落在转换层的主结构上，避免多级复杂转换；转换层结构不宜设置在较高的楼层上，转换层上下楼层的结构侧向刚度相差较大时，会导致转换层上下结构构件内力突变，而转换层位置相对较高时，这种内力突变会进一步加剧，而且转换层位置较高时，建筑的底部加强范围会增大，构件的内力、截面以及配筋都会相应地增大，造成工程成本的增加，因此尽量避免结构在高位转换。如果建筑工程比较特殊必须在高位转换，此时技术人员要严格控制落地剪力墙结构的间隔距离以及结构下部刚度。

2.3 竖向构件在平面上的布置要均匀和周边化

在实际设计中，由于建筑布置的不合理会出现某个区域竖向构件无法落地的情况，结构设计人员应与其他专业相互配合协调以保证竖向构件在平面上的整体布置是均匀的，周边化的，不可以出现剪力墙集中出现在某个部位，框支剪力墙集中布置在另一个部位，这对结构的抗侧和抗扭都是非常不利的。

2.4 简化传力路径

想要充分发挥梁氏转换层结构的结构转换优势，设计人员在设置转换层时应尽量避免复杂的传力设计，尽量简化转换层结构的传力路径，减少间接的传力结构。在转换层设计中要严格控制转换层结构的纵向构件使用数量，降低多级转换的频率。

2.5 精准计算

计算分析是结构设计的关键步骤，计算各种状态下的转换构件受力情况，在进行受力计算时，需要对三维空间进行整体计算，模拟其实际受力变形状态，据此对整体结构进行有效分析，在整个计算过程中最重要的就是保证模型数据的真实性，建立以梁柱、剪力墙等重要结构为基础的计算模型，并结合梁式转换层结构的设计要求及转换层结构需要达到的刚度标准和传力效果等进行反复计算求证。

3、梁式转换层结构的设计要点

3.1 转换大梁设计

结构整体计算时，转换梁作为一根杆件参与计算，转换梁与上部的剪力墙协同工作情况考虑不够，因此再用其他有限元软件相对准确地模拟边界约束情况进行局部有限元分析来计算相应部位的配筋；同时考虑到转换梁的受力特点实际为偏心受拉，因此设计时可以适当地增大转换梁下部的纵向受拉钢筋的配筋量；上部剪力墙的布置尽量布置在梁的轴线上，但实际工程中不可避免地会出现偏心的情况，此种情况下还应单独复核转换梁的抗扭强度，考虑梁的抗扭构造措施；结构整体分析时上部剪力墙对转换梁支座的垂直压力作用反映不够，设计中还应将剪力墙底部的总垂直力作为转换梁的荷载进行抗剪强度的复核，以确保梁的受力安全。

3.2 框支柱设计

框支柱是转换层非常重要的竖向受力构件，因此规范从多个方面加强框支柱的抗震措施以确保框支柱乃至整个建筑的受力安全。结构设计人员设计的时候应当慎之又慎考虑周全。必须准确确定底部加强部位以及构件的抗震等级，判断是否有薄弱层以及薄弱层的位置，判断是否考虑竖向地震的影响，正确考虑框架柱以及框支柱的剪力调整。

3.3 楼板设计

结构整体分析时采用的是楼板平面内刚度无穷大的假定，在转换层的交界处内力突变，楼板传递很大的内力，所以为了减少总体分析的误差保证模型接近楼板平面内刚度无穷大假定，就需要加大楼板的厚度，同时也可以提高转换梁的抗扭能力，规范规定不宜小于180mm，设计人员设计时可以根据转换层上下两层的刚度变化以及内力变化情况适当调整，当上下变化较大时可以加厚楼板以利于该部位内力的传递和重分布。另外尽量避免在转换层楼板处开大洞，如果要开洞，洞口周边设梁加强，洞口周边的楼板加厚处理；洞口宜布置在建筑的中间部位，距周边应有较大距离;如果不得不将电梯间或楼梯间设置于大空间部位，宜将洞口用钢筋混凝土墙围成筒体。

3.4 框支梁截面尺寸设计

框支梁结构是高层建筑转换层中的关键受力构件结构，其不仅负责转换层上下结构的荷载传导，还能强化剪力墙结构的荷载效应和稳固程度。为此，工程设计人员在进行框支梁构件的截面尺寸设计时，要根据结构的抗震等级采取相应抗震设计措施来满足结构抗震需求。例如，如果建筑工程抗震等级为特一级，建筑转换层中框支梁构件的配筋率要控制在0.6%以上。由于偏心受拉转换梁存在一定轴力，因此设计人员需要在该构件中加设抗扭腰筋，腰筋需要插入构件支座的内部，梁高的间隔距离不得超过200mm，这样能够增强框支梁的抗拉性能。框支梁作为转换层中关键传力构件，设计人员进行结构设计时要遵循“弱弯强剪”的原则，确保结构中纵筋配置数量符合标准的基础上，还要增加箍筋的数量。设计人员需要强化箍筋密度，一般要将构件的配箍率提升到1.5%以上，这样才能满足该抗震级别中的框支梁结构箍筋标准。

3.5 基础设计

基础设计直接影响着超高层建筑的使用质量，需要提高基础设计的科学性，避免后续的建筑施工受到影响。为解决超高层建筑使用中的倾斜问题，需要提高对基础设计的重视程度，做到合理设计建筑物埋入地下的深度，确保基础设计符合工程的实际情况。对于超高层建筑中基础的埋深设计，要求设计人员充分考虑建筑的荷载分布、结构高度、地质条件等情况，选出最合理、最经济的方案。同时，一般在超高层建筑结构设计中，经常选择多层地下室，必须保证基础嵌固端的刚度达到要求，防止地基基础发生位移的状况，从而保证建筑结构整体的稳定性。

3.6 受力性能设计

在超高层建筑结构设计中，需要充分考虑建筑整体的受力性能，若是建筑结构的受力性能无法达到要求，势必会影响建筑使用的安全，也会带来较大的建筑维修成本。在超高层建筑的受力性能不过关的情况下，环境因素对建筑安全的影响较大，经常出现各种各样的建筑破损问题。因此，设计人员需要对建筑物的受力性能及其向下作用力进行充分考虑，不断优化原本的设计方案，对超高层建筑存在的受力问题进行处理，使建筑质量得到保障。同时，需要准确统计超高层建筑的承重墙及承重柱子，对平面设计图的内容进行分析，确保建筑的承重分布合理，提高建筑自身的安全性。在分析超高层建筑结构的时候，可以采用计算简图完成这一工作，选择空间分析法对建筑整体进行分析，还可以选择不同的力学模型通过软件对其进行复核，使建筑物的受力性能问题得到切实解决。

3.7 提升刚度设计

在梁式转换层结构设计过程中，布局阶段应遵循对称性原则，保证底盘中心与塔楼高度相同，以提升结构的刚度，避免结构变形。在高层建筑施工中，只有增加底盘楼板的厚度，才能提升周边钢柱的刚度。另外，在设计梁式转换层结构时，要结合建筑结构实际受力情况，通过借助计算机，运用科学的计算方式，使设计方案更具合理性。在单塔设计、多塔设计时需掌握重点部分，保证结构刚度与高层梁式转换层结构设计相符，充分发挥大底盘结构的优势，使高层建筑结构更加稳定。

3.8 完善建筑结构的设计图纸

设计人员在设计多层建筑框架结构时，有必要充分考虑工程施工中那些细枝末节的数据信息，在设计图纸中明确的标示清楚，不能为了方便而将某些信息省略掉。究其原因就在于：必须严格根据多层建筑框架结构设计图纸开展建筑工程的施工操作，一旦出现某些数据信息不明确、不清晰的情况，就会直接影响整个工程。同时，在图纸设计过程中要求设计人员的工作态度必须严谨、认真，不得马虎将就，即便是已经完工的设计图纸也需要进行反复的检查与考证，以此才能获得准确的图纸信息，且能够及时发现其中的问题，及时地查漏补缺，从而可以为整个建筑工程的施工质量提供充足的保障。

3.9 优化短柱设计

短柱问题一旦发生在框架结构设计中，受地震作用的影响，导致短柱出现脆性破坏的可能性比较大，这是由于随着短柱抗剪承载力、变形能力的缺失，极易对建筑物的整体性造成很大的破坏，这也说明短柱问题在多层建筑结构设计中无法避免。关于短柱问题的处理，需要设计人员适当的增加柱本身的抗剪承载力，这对于提升其变形能力至关重要；在加密处理箍筋时可以借助复合箍筋，将钢筋纵向对称的布置在短柱上，要求纵向配筋率必须控制在1.2%以内，然后，结合实际情况来确定应用具体采用哪种处理方式，诸如外包钢板、X 形配筋等。除此之外，有必要强化抗震设计。（1）确定梁的高度。为保证多层钢筋混凝土框架结构设计与相关抗震要求相符，设计人员需要对梁的高度进行充分考虑，如果一时不能将具体合理值确定下来，则最好选择较大地值，防止造成梁刚度过小的情况。（2）确定梁端负弯矩取值。该负弯矩在竖向荷载的作用下一般比计算值要大，尽管可以增加钢筋数量，但是，极易造成抗弯储备过高的情况。为此，在具体计算过程中有必要选择小的负弯矩钢筋值，并松弛跨内钢筋。鉴于当前设计队伍的专业化水平较低，为进一步提高工程建设质量，就必须致力于其专业化水平的不断提高。为此，有必要定期组织团队内部人员开展岗位培训，在招聘团队成员时，需重视专业人才的引进，同时，在实践过程中加强训练。

3.10 建筑结构防腐设计

建筑结构防腐设计既是提高建筑结构抗腐蚀能力的重要途径，也是保证建筑结构安全的一项关键措施。在施工过程中，工作人员需要严重控制建筑材料的质量。在使用材料时，工作人员需要做好材料的保护工作，避免材料因运输不合理、储存不当而损坏。同时，工作人员需要做好房屋的防潮、防水工作，防止因渗漏问题而影响建筑的安全性和耐久性。针对有特殊要求的建筑，工作人员需要采取有效措施来减少或者消除这些危害，比如：可以采用非承重墙体加固的方式来保护墙体结构；可以利用抗裂砂浆来增加保温层的抗裂能力和提高保温层表面强度。