高层建筑梁式转换层结构设计分析

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　　摘要：梁式转换层结构是目前高层建筑中使用最多的转换层结构形式，文章结合工程实例，探讨了梁式转换层结构的设计要点．以及构件设计。
　　 关键词：高层建筑；梁式转换层；框支柱设计
　　1前言
　　 近年来，随着城市建设的日新月异，各种功能多样化、综合化、全面化的，体型复杂化的高层建筑成为发展趋向。梁式转换层结构以其施工方便、传力直接、明确和清楚等优点，已作为实现垂直转换的结构形式在高层建筑中被广泛应用。
　　2 高层建筑结构转换层的特点
　　 转换结构构件需要承受其上部结构所传下来的巨大竖向荷载或悬挂下部结构的多层荷载，使得转换结构构件的内力很大，竖向荷载成了控制转换结构构件设计的主要因素。转换结构构件通常具有数倍于上部结构的跨度，转换结构构件的竖向挠度成为严格控制的目标。因此为保证转换结构有足够的强度和刚度，致使结构构件的截面尺寸不可避免地高而大。
　　 结构中由于设置了转换层，沿建筑物高度方向刚度的均匀性会受到很大的破坏，力的传递途径有大的改变，为竖向不规则结构，这决定了转换层结构不能以通常结构来进行分析和设计。竖向不规则结构的定义见抗规第3．4．2条规定，竖向不规则的类型见表1。
　　 表1 竖向不规则的类型
　　不规则类型 定义
　　侧向刚度不规则 该层的侧向刚度小于相邻上一层的70%，或小雨其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%；除顶层外，局部收进得水平向尺寸大于相邻下一层的25%
　　竖向抗侧力构建不连续 竖向抗侧力构建（柱、抗震墙、抗震支撑）的内力由水平转换构建（梁、析架等）向下传递
　　楼层承载力突变 抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上一楼层的80%
　　 3转换层的结构布置
　　 底部带转换层的建筑结构，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、析架、空腹析架、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度，8度抗震设计时的地下室可采用厚板转换层。
　　 落地剪力墙和框支柱的布置对于防止转换层下部结构在地震中倒塌将起十分重要的作用。
　　 高规规定了几条重要原则：带转换层的简体结构的内筒应全部上、下贯通落地并按刚度要求增加墙厚；框支剪力墙结构要有足够的剪力墙上、下贯通落地并按刚度比要求增加墙厚；长矩形平面的框支剪力墙结构，抗震设计时，其落地剪力墙的间距按原规程适当加严，比原规程增加了限制落地柱周围的楼板不应错层的规定。
　　 这几点的原则是防止转换层下部结构破坏的基本要求，特别是对于抗震设计的结构，要求更加严格。
　　 遵守这些原则就可控制刚度突变，减少内力传递的突变程度缩短转换层上、下结构内力传递途径，保证转换层楼盖有足够的刚度以传递不同抗侧力结构之间的剪力，防止框支柱因楼盖错层发生破坏。
　　 框支剪力墙转换梁上一层墙体内不宜设边门洞、中柱上方不宜设门洞。试验研究和计算分析说明，这些门洞使框支粱的剪力大幅度增加，边门洞小墙肢应力集中，很容易破坏。此外，落地剪力墙和简体的洞口宜在墙体的中部，以便使落地剪力墙各墙肢受力(剪力、弯矩、轴力)比较均匀。
　　
　　 4 梁式转换层结构的设计
　　 4．1 框支柱的设计
　　 有地震组合时，一级、二级框支柱承受的地震作用产生的轴力设计计算值分别乘以1．5O，1．25的调整放大系数：框支柱承受的地震剪力标；隹值应按下列规定采用：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：而当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％。
　　 4.2 框支梁的设计
　　 框支梁截面尺寸一般由剪压比控制，宽度要大于其上墙厚的2倍，且大于400mm；高度大于计算跨度的1／6。工程框支梁梁宽统一定为800mm。框支梁受力巨大且受力情况复杂，它不但是上下层荷载的传输枢纽，也是保证框支剪力墙抗震性能的关键部位，是一个复杂而重要的受力构件，因而在设计时应留有较多的安全储备，二级抗震等级的框支梁纵筋配筋率大于0．4％。框支梁在满足计算要求下，配筋率大于0．8％。框支梁一般为偏心受拉构件，梁中有轴力存在，因而应配置足够数量的腰筋。
　　 4．3 转换层楼板的设计
　　 框支剪力墙结构以转换层为分界，上下两部分的内力分布规律是不同的。在下部楼层由于框支柱与落地剪力墙间的刚度差异，水平剪力主要集中在落地剪力墙上，即在转换层处荷载分配产生突变；而在上部楼层，外荷载产生的水平力大体上按各片剪力墙的等效刚度比例分配。转换层楼板承担着完成上下部分剪力重分配的任务；由于转换层楼板自身平面内受力很大，而变形也很大，所以转换层楼板必须有足够的刚度作保证。
　　 5设计实例
　　 5．1 工程概况
　　 某综合大厦，总建筑面积为28000m2，地下室1层，地上22层。其中1―4层为商业楼层，1层层高是5.1 m ，2～4层层高均是4．2m，5～22层为住宅，层高均为3m。4层设置结构转换层兼设备层，转换层以上为住宅楼(纯剪力墙结构)，以下为框架一剪力墙结构。该建筑位于六度抗震区，建筑场地为II类。
　　 本工程采用中国建筑科学研究院PKPM―SATWE程序进行结构设计和受力分析。
　　 5.2 梁式转换层结构的设计要点
　　 5．2．1 结构平面布局为了提高其抗震能力，改善结构的受力性能，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，在对有抗震设防要求的建筑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，做成框支墙与落地剪力墙协同工作的受力体系。
　　 该工程上部为纯剪力墙结构，底部为体型规则、简单的框架―― 剪力墙结构。
　　 南北向刚度中心与质量中心偏差不超过2米，东西向完全对称，为了增强抗扭效果，除核心筒外的其余剪力墙应尽量沿周边均匀、分散布置。
　　 5．2.2 结构竖向布置 高层建筑的竖向体型宜规则、均匀，避免有过大的外挑和内收，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；也可以按照建筑功能需要，在楼层局部布置转换层。对于框支剪力墙结构高层建筑7度区不宜在第五层以上设置转换层，8度区不宜在第三层以上设置转换层。抗震设计的高层建筑结构，其楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的70％ 或其上相邻三层侧向刚度平均值的80％。
　　 该工程的竖向布置设计遵循“强化下部，弱化上部”的原则。尽量减少转换层上部剪力墙数目，控制剪力墙厚度。转换层以下剪力墙中，核心筒部分的厚度取为40mm，其余部分的厚度取为35Omm。为了增强底部刚度，在底部增设部分剪力墙，且还要让核心筒两侧各有一片剪力墙落地。可选用C50混凝土，以提高底部柱、墙混凝土强度等级。
　　 5．2．3 抗震等级的确定抗震等级是根据建筑物设防烈度和建筑物使用功能的重要性确定的，根据《建筑抗震设防分类标准》(GB50223)的规定，建筑工程分为四个抗震设防类别：特殊设防类(甲类)、重点设防类《乙类)、标准设防类(丙类)、适度设防类《丁类)。当剪力墙转换层结构设置在三层以上时，为了保证设计的安全性，框支柱、剪力墙底部加强部位的抗震等级应提高～ 级。另外，在8度抗震设计时，还应考虑竖向地震作用的影响。

　　 按照现行规范，结合该工程的结构特点，该工程各部位的抗震等级设计见表1：
　　 表1 抗震等级的设计
　　构建名称 梁、柱 剪力墙
　　 框支梁、框支柱及1-6层与框支柱相连的框架梁 地下二层梁、柱 裙房及地下一层框架梁、柱 地下二层 地步加强部位
　　 转换层以上两层以下 转换层以上两层以下 非底部加强部位
　　抗震等级 特一级 三级 一级 三级 特一级 一级 二级
　　 5．3 转换层结构构件设计
　　 5．3．1 框支柱的设计框支柱的设计轴压比控制着框支柱截面尺寸，而且还满足剪压比要求。高层建筑结构抗震设计时，框支柱的柱顶弯矩应乘以放大系数，其配筋应按放大后的弯矩设计值进行。另外，框支柱承受的地震剪力标准值如下：框支柱大于十根时，如果框支层为一至二层时，每层每根柱承受的剪力之和就取基底剪力的20％：如果框支层在三层及三层以上时，每层框支柱承受剪力之和则取基底剪力的3O％；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：而框支柱在十根及十根及十根以下时，如果框支层为一至二层时，每层第根柱承受的剪力至少取基底剪力的2％ ；如果框支层是有三层及三层以上时，各层每根柱所受的剪力则至少取基底剪力的3％。本工程的框支柱抗震等级为一级，轴压比≤0．6，对部分因截面尺寸较大而形成的“短柱”要≤0．55。抗震等级为一级、二级的框支柱承受地震作用产生的轴力设计计算值分别乘以1．5O、1．25的调整放大系数。钢筋配筋率方面，抗震等级为一级的≥ 1．2％ ，二级≥ 1.O％，三级时≥ O.9％。本工程根据SETWE软件计算，最后采用柱截面为1．1m×（1．1～1．4)m不等。
　　 另外，为了加强转换层上下连接，框支柱上部墙体范围内的纵筋应伸人上部墙体内一层；其余在墙体范围外的纵筋则水平锚人转换层梁板内，满足锚固要求LaE。
　　 5．3．2 框支梁的设计 为保证转换梁结构的整体刚度，增强结构的可靠性。在《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》(JGJ3―91)中对转换梁的最小高度和宽度作如下规定：框支梁截面的宽度要小于框支柱相应方向的截面宽度，宽度要大于其上墙厚的2倍，且大于400mm：当梁上托柱时，则要大于梁宽方向的柱截面宽度。进行抗震设计时，高度大于计算跨度的1／6：非抗震设计时，转换梁高应大于跨度的1／8。
　　 框支梁不但是上下层荷载的传输枢纽，也是保证框支剪力墙抗震性能的关键部位，是一个复杂而重要的受力构件。因而，在设计时应适当加大配筋率。一级抗震等级的框支梁纵筋配筋率要>0．6％，二级抗震等级的框支梁纵筋配筋率要>0.4％。本工程框支梁在满足计算要求的情况下，纵筋配筋率不应小于0．8％。框支梁一般为偏心受拉构件，梁中有轴力存在，应配置足够数量的腰筋，即采用Ф16腰筋，沿梁高间距<200mm，并且可以锚入支座内。由于框支梁受剪很大，为满足“强剪弱弯”原则，需加强箍筋设置，箍筋采用Φ14@100的8肢箍全长加密，配箍率达到1．53％。
　　 5．3.3 转换层楼板厚度确定转换层楼板是主要要传力构件，承担着完成上下部分剪力重分配的任务。因此在设计时，对框支层楼板应进行截面尺寸的控制，并应进行抗剪截面验算、楼板平面内受弯承载力验算以及构造配筋要求，本工程转换层采用C50混凝土，楼板厚度取值为200mm,实际配筋为Φ12×15O双层双向，楼板中钢筋锚固在边梁或墙体内，与转换层相邻楼层的楼板也适当加强，板厚采用15Omm，以协助转换层楼板完成剪力重分配。
　　 6结束语
　　 随着人们对高层建筑的功能要求趋向于多样化、综合化和全面化。梁式转换层结构以其传力直接、明确和清楚的优点，在目前高层建筑中被广泛使用。设计人员要注重概念设计，并在设计过程中通过查阅数据，反复比较调整，以得到最为合理的设计。
　　
　　注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。

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