对高层建筑梁式转换层结构设计的问题探讨

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　　摘要：近年来高层建筑发展迅速，应城市发展的需求，建筑体正朝着体型复杂、功能多样的综合性方向发展，因而相应的结构形式也复杂多样。为了满足建筑要求，在上下不同结构体系转换的楼层设置转换层，转换层的建筑结构应运而生，并在现实工作中得到较为广泛的应用。
　　
　　关键词：高层建筑结构；梁式转换层；结构形式；设计原则；构造
　　
　　1 高层建筑结构转换层发展目标
　　1．1 钢骨混凝土转换层的应用
　　 钢骨混凝土梁不仅承载力高，刚度好，可大大减小截面尺寸，且塑性、耐久性和抗震性能优于钢筋混凝土梁。此外， 钢骨混凝土梁在施工阶段其自身刚度好，定位准确，可减少支模，加快施工速度。目前， 国内采用钢骨混凝土转换构件的实际工程还不多，但国外采用较多。
　　1．2 预应力混凝土转换层的应用
　　 采用预应力技术可带来许多结构和施工上的优点，如减小截面尺寸、控制裂缝和挠度, 控制施工阶段的裂缝及减轻支撑负担等等。因此，预应力混凝土结构非常适合于建造承重荷载的大跨度转换层，且有自重轻，节省钢材和混凝土等优点。
　　 由多个单层析架空腹桁架、混合空腹析架等叠合组成的结构形成“叠层析架结构”，由多根截面尺寸较大的弦杆梁共同承担上部竖向荷载的工作机制，设置斜腹杆改变了竖向荷载的传力方向和位置，起卸载作用，类似于拱传力。
　　2 转换层的设计原则及结构形式
　　2．1 转换层设计原则
　　2．1．1 转换层的竖向布置
　　 转换结构可根据其建筑功能和结构传力的需要，沿高层建筑高度方向一处或多处灵活布置；也可根据建筑功能的要求，在楼层局部布置转换层，且自身的这个空间既可作为正常使用楼层，也可作技术设备层，但应保证转换层有足够的刚度，以防止沿竖向刚度过于悬殊。对大底盘多塔楼的商住建筑，塔楼的转换层宜设置在裙房的屋面层，并加大屋面梁、板尺寸和厚度，以避免中间出现刚度特别小的楼层，减小震害。对部分框支剪力墙高层建筑结构，其转换层的位置，7度区不宜超过第5 层，8度区不宜超过第3层。转换层位置超过上述规定时，应作专门研究并采取有效措施。
　　2．1．2 转换层的结构布置
　　 研究得出，底部转换层位置越高,转换层上、下刚度突变越大，转换层上、下内力传递途径的突变就越加剧；此外， 转换层位置越高，落地剪力墙或简体易出现受弯裂缝，从而使框支柱的内力增大，转换层上部附近的墙体易于破坏。总之，转换层位置越高对抗震越不利。
　　 底部带转换层结构，转换层上部的部分竖向构件不能直接连续贯通落地，因此，必须设置安全可靠的转换构件。按现有的工程经验和研究结果，转换构件可采用转换大梁、斜撑、箱形结构以及厚板等形式。由于转换厚板在地震区使用经验较少，可在非地震区和6度抗震设计时采用，对于大空间地下室, 因周围有约束作用，地震反应小于地面以上的框支结构，故7、8度抗震设计时的地下室可采用厚板转换层。
　　2．1．3 转换层的抗震设计
　　 为保证设计的安全性，规定部分框支剪力墙结构转换层的位置设置在3层以上时，其框支柱、剪力墙底部加强部位的抗震等级宜按高规规定提高一级采用，提高其抗震构造措施，而对于底部带转换层的框架一核心简结构和外围为密柱框架的简中简结构的抗震等级不必提高。对转换层的转换构件水平地震作用的计算内力需调整增大；8度抗震设计时, 还应考虑竖向地震作用的影响。
　　2．2 转换层的主要结构形式
　　 在《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）中，规范对转换梁的最小高度和宽度作如下规定：框支梁截面的宽度不宜大于框支柱相应方向的截面宽度，不宜小于其上墙体截面厚度的2倍，且不易小于400mm；当梁上托柱时，尚不应小于梁宽方向的柱截面宽度。进行抗震设计时转换梁高不小于其跨度的1/6；非抗震设计时，转换梁高不小于跨度的1/8。
　　
　　3 梁式转换层结构的设计与构造
　　 由框支主梁承托转换次梁及次梁上的剪刀墙，其传力途径多次转换, 受力复杂。框支主梁除承受其上部剪力墙的作用外，还需要承受梁传给的剪力，扭矩和弯矩，框支主梁易受剪破坏。对于有抗震设防要求的建筑，为了改善结构的受力性能，提高其抗震能力，在进行结构平面布置时，可以将一部分剪力墙落地, 并贯通至基础，做成落地剪力墙与框支墙与剪力墙协同工作的受力体系。
　　3．1 转换梁的设计与构造要求
　　 转换梁的截面尺寸一般宜由剪压比计算确定，以避免脆性破坏和具有合适的含箍率。转换梁不宜开洞，若需要开洞，洞口宜位于梁中和轴附近。洞口上、下弦杆必须采取加强措施，箍筋要加密，以增强其抗剪能力。上、下弦杆箍筋计算时宜将剪力设计值乘放大系数1.2。当洞口内力较大时，可采用型钢构件来加强。
　　 转换梁的混凝土强度等级不应低于C30。转换梁上、下主筋的最小配筋率非抗震设计时为0.3%，转换梁中主筋不宜有接头，转换梁上部主筋至少应有50% 沿梁全长贯通, 下部主筋应全部贯通伸入柱内。
　　3．2 框支柱的设计与构造要求
　　 框支柱截面尺寸一般系由其轴压比计算确定。地震作用下框支柱内力需调整:抗震设计时，框支柱的柱顶弯矩应乘以放大系数，并按放大后的弯矩设计值进行配筋；剪力调整：框支柱承受的地震剪力标准值应按下列规定采用：框支柱的数目不多于10根时，当框支层为1～2层时，每层第根柱承受的剪力应至少取基底剪力的2%；当框支层为3层及3层以上时，各层每根柱所受的剪力应至少取基底剪力的3%；框支柱的数目多于10根时, 当框支层为1～2层时，每层每根柱承受的剪力之和应取基底剪力的20%；当框支层为3层及3层以上时，每层框支柱承受剪力之和应取基底剪力的30% ；框支柱剪力调整后，应相应调整框支柱的弯矩及柱端梁的剪力、弯矩，框支柱轴力可不调整。
　　 框支柱全部纵向钢筋配筋率，抗震等级一级时不小于1.2%，二级时不小于1.0%，三级时不小于0.9% 、四级及非抗震设计时不小于0.8 % 。纵向钢筋间距抗震设计时不大于200mm，且不小于80mm，全部纵向钢筋配筋率不宜大于4% 。
　　3．3 转换梁的截面设计方法
　　 应力截面设计方法。对转换梁进行有限元分析得到的结果是应力及其分布规律，为能直接应用转换梁有限元法分析后的应力大小及其分布规律进行截面的配筋计算，假定不考虑混凝土的抗拉作用，所有拉力由钢筋承担钢筋达到其屈服强度设计值。受压区混凝土的强度达到轴心抗压强度设计值。
　　3．4 转换梁截面设计方法的选择
　　 托柱形式转换梁截面设计。当转换梁承托上部普通框架时，在转换梁常用截面尺寸范围内，转换梁的受力基本和普通梁相同，可按普通梁截面设计方法进行配筋计算。当转换梁承托上部斜杆框架时，转换梁将承受轴向拉力，此时应按偏心受拉构件进行截面设计。
　　3．5 托墙形式转换梁截面设计
　　 当转换梁承托上部墙体满跨不开洞时，转换梁与上部墙体共同工作，其受力特征与破坏形态表现为深梁，此时转换梁截面设计方法宜采用深梁截面设计方法或应力截面设计方法，且计算出的纵向钢筋应沿全梁高适当分布配置。由于此时转换梁跨中较大范围内的内力比较大，故底部纵向钢筋不宜截断和弯起，应全部伸入支座。当转换梁承托上部墙体为小墙肢时，转换梁基本上可按普通梁的截面设计方法进行配筋计算，纵向钢筋可按普通梁集中布置在转换梁的底部
　　4 结束语
　　 高层建筑体现一个城市建设的基本特色，承载着城市发展过程的信息。为此，高层建筑的发展也是塑造城市新特色的重要条件。然而如何将现代的高层建筑更更好的与城市建筑中的各个因素相应的结合起来,有效地把建筑风格融合到城市的环境中去设计，是每个建设者需要考虑的问题。
　　 总的来讲，在高层建筑的设计中，转换层设计是结构设计中的难题，更是不同形式结构体系转换的关键因素，设计时应不断研究和进行方案比较，在可能的情况下做出较优的技术方案才能实现安全、适用、经济等综合目标。

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