某高层建筑梁式转换层结构设计探讨

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　　摘要：本文主要从高层建筑梁式转换层结构结构形式和受力分析，结合工程实例，对梁式转换层的设计方法进行探讨，从而使梁式结构转换层的受力更加明了化。
　　关键词：高层建筑；梁式转换层；结构设计
　　
　　1. 前言
　　上世纪70 年代中期，我国高层建筑发展开始加速，底部大空间结构的发展使得转换层结构朝着形式多样化、方法多样化、结构受力更有利的方向发展。转换层结构已成为现代高层建筑结构的发展趋势之一。结构转换层设计实现了建筑从小开间的住宅到中等开间的写字间，再到大空间的商场的变化成为可能。梁式转换层结构作为高层建筑中实现垂直转换的常用结构形式。
　　2. 梁式转换层结构结构形式
　　我们知道，高层建筑结构下部受力比上部大，按常理来说，在高层建筑结构的设计中就要考虑下部的刚度要大于上部结构，采用的措施就是下部增加墙体、增加柱网，而上部逐渐减少墙柱的密度。显然，这在高层建筑设计中是不现实的，因为高层建筑的使用功能对空间要求却是下部大空间，往上部逐渐减小，因此对高层建筑结构的设计就要考虑反常规设计方法。在《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2001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。从该设计规程中可知，采取这些限制主要是保证转换梁结构的整体刚度，增强结构的可靠性。
　　2.1 梁式转换层结构形式
　　2.2 梁式转换结构受力机理分析
　　梁式转换层结构的传力途径为墙- 梁- 柱（墙）的形式，传力直接，便于分析计算。转换大梁的受力主要受上部剪力墙刚度、剪力墙与转换大梁的相对刚度和转换大梁与下部支撑结构的相对刚度影响。为弄清转换梁结构与上部墙体共同工作的性能，文献中已对转换梁承托层数对其内力的影响进行用有限元程序进行了分析，从分析结果中我们知道，对一般结构转换大梁（跨度小于12m），上部墙体考虑三层与考虑4 层、5 层内力的设计控制内力差异不大于5%，故在分析计算时可只考虑计算3 层。从计算分析不论转换大梁上部墙体的形式如何，只要墙体有一定长度，转换大梁中的弯矩就会比不考虑上部墙体作用要小，同时转换大梁也会有一段范围出现受拉区。主要原因：一是由于转换大梁处于结构整体弯曲的受拉区，应力积分后在转换大梁中就会出现轴向拉力，二是由于上部墙体竖向力作用于转换大梁时形成了拱的传力方式，这样竖向力转变成斜向力作用于转换大梁，从而在转换大梁跨中出现拉力，支座出现轴向压力的情况。
　　3. 设计实例
　　3.1 工程概况
　　某高层建筑，地下1 层，地上22 层，总建筑面积为25840m2。1～4 层为商业用房，1 层层高5.10m，2～4 层层高4.10m，采用框架- 筒体结构。5～22 层为住宅，层高3.10m，采用剪力墙- 筒体结构。这样需要在第4 层与第5 层之间设置结构转换层，同时兼作设备层。
　　3.2 结构转换层方案
　　转换层的结构形式可以采用梁式、桁架式、板式、箱形等，这些转换层都可以形成大空间，实现结构类型或轴线的转变。其中梁式转换层受力明确设计和施工相对简单，应用最为广泛；同时，在转换梁受力较小部位可以开设合适的洞口，容易满足建筑功能和设备管线布置的要求。因此本工程采用梁式转换层。转换层的层高2.15m，转换梁上、下端与楼板相连，上层楼板厚200mm，下层楼板厚300mm。转换梁承托上部剪力墙。转换层结构混凝土强度等级为C40。转换梁的截面尺寸可按下式确定:
　　无地震组合时：
　　 （1）
　　有地震组合时：
　　
　　 （2）
　　式中：
　　V―转换梁支座截面最大剪力组合设计；
　　γRE ―承载力抗震调整系数；
　　fc―混凝土轴心抗压强度设计值；
　　b―转换梁截面宽度度；
　　h0―转换梁截面有效高度。
　　本工程转换梁截面尺寸取b=900mm，h=2650mm。
　　3.3 结构整体分析
　　本工程拟采用中国建筑科学院开发的薄壁杆元软件TBSA6.0 进行计算。转换梁本身是杆件，可直接按梁单元参加到结构整体分析中，梁的轴线定在转换层上层楼板处。为防止沿竖向刚度变化过于悬殊形成薄弱层，当底部大空间为1层时，可近似采用转换层上、下层等效剪切刚度比γ表示转换层上、下层结构刚度的变化，设计中应考虑使上、下层刚度比γ在抗震时不应大于2 ，在非抗震时不应大于3，其值宜尽量接近1，其中γ应符合下式要求：
　　
　　 （3）
　　
　　式中：Gi、Gi+1―第i、i+1 层混凝土剪变模量；
　　Ai、Ai+1―第i、i+1 层折算抗剪截面面积；
　　Aw―在所计算的方向上剪力墙的全部有效截面面积；
　　Ac―全部柱的截面面积；
　　hi、hi+1―第i、i+1 层的层高。
　　当底部大空间层数大于1层时，其转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比γe宜按式(4)计算，其中γe宜接近1，排抗震设计时不应大于2，抗震设计时γe不应大于1.3。
　　
　　 （4）
　　注：式是参数详附录E，此处不再摘录。
　　该工程转换层下层柱子截面尺寸取1100mm ×1100mm，主要剪力墙厚500mm、450mm，混凝土强度等级C45；转换层上层四周剪力墙厚350mm， 内剪力墙厚250mm，混凝土强度等级C45。按式2 计算得两主轴x、y方向的γ 值分别为1.73 和1.51。计算结果表明，结构前三个自振周期为:x 方向，1.537s ，0.449s，0.224s；y 方向，1.717s， 0.515s，0.275s；层间最大侧移和顶点位移均满足《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2001）的要求。
　　3.4 转换梁设计
　　转换梁承托上部剪力墙，受力很大，是保证结构安全的关键结构构件。转换梁跨度8.05～9.0m，截面高度2.5m，跨高比3.22～3.6，属连续短梁。我国混凝土结构设计规范GBJ10-89 没有明确给出其承载力计算方法，为此进行了两跨连续短梁的试验研究。
　　3.4.1 主要试验结果
　　试验梁是转换梁的1/5 缩尺模型。试验研究结果表明:
　　⑴正截面平均应变基本符合平截面假定。
　　⑵斜裂缝首先在加载点至中支座的内剪跨区段的梁腹中部出现，属腹剪斜裂缝，并最终发展为临界斜裂缝。
　　⑶根据底部纵筋和顶部纵筋沿梁长方向的应变分布。可见，纵筋沿梁长方向的应变分布，在斜裂缝出现前，与弯矩图是一致的；在斜裂缝出现后，则与弯矩图存在较大差别，说明梁内产生了较大的应力重分布；至梁接近破坏时，底部纵筋沿梁长全部处于受拉状态，顶部纵筋在内剪跨内也基本处于受拉状态。
　　⑷试验梁破坏时，内剪跨区段内，穿越临界斜裂缝的箍筋受拉屈服，剪压区混凝土压疏；加载点至边支座的外剪跨区段内，穿越斜裂缝的箍筋应变约为屈服应变的53%，剪压区混凝土没有压疏。
　　⑸试验梁破坏时，穿越临界斜裂缝的水平腹筋的拉应变约为屈服应变的50%，可见水平腹筋没有充分发挥其强度。
　　⑹试验梁的最大相对挠度f/l=3.42/1800=1/526，说明转换梁有足够的抗弯刚度。
　　3.4.2 承载力计算
　　转换梁斜截面受剪承载力主要由混凝土和箍筋承担，水平腹筋对斜截面受剪承载力有一定贡献，约占11%。因此可不考虑水平腹筋的作用，将其作为安全储备。建议斜截面受剪承载力按式3 计算:
　　
　　 (式3)
　　
　　式中：
　　λ―计算剪跨比；
　　ft―混凝土抗拉强度设计值；
　　fyv―箍筋抗拉强度设计值；
　　Asv―配置在同一截面内箍筋各肢的全部截面面积；
　　s―箍筋的间距；
　　b―转换梁截面宽度。
　　H0―转换梁截面有效高度
　　3.4.3 有关构造要求
　　根据试验结果⑶，为确保转换梁在斜裂缝出现后，纵筋能起拉杆作用，形成桁架受力体系，底部纵筋不宜在跨内弯起或截断，而应全部伸入支座内，并有可靠锚固；顶部纵筋在跨中附近不宜过早截断，最好通长布置。转换梁截面尺寸较大，沿梁高应配置一定数量的水平腹筋。水平腹筋可以提供一定的受弯、受剪承载力，同时对抑制裂缝的开展，减小温度和混凝土收缩的影响都有一定作用。转换梁截面尺寸一般由剪压比控制。根据试验结果，并参照薄腹梁和深梁的截面尺寸限制条件，建议转换梁截面尺寸应满足式⑴的要求。此外，转换梁在结构中是非常重要的结构构件，是保证结构安全的关键之一，在正常使用状态，一般不允许出现斜裂缝，截面尺寸还应满足:
　　Vs≤0.5ftk bh (式4)，
　　式中Vs 为不考虑地震作用的转换梁支座截面剪力短期效应组合值。
　　5. 结语
　　本文讨论的只是高层建筑梁式转换层结构的设计方法之一，对高层建筑转换层受力特性还有许多需要研究的地方，如板式转换、桁架转换、箱形转换、斜柱转换，巨形框架等转换层的受力特征。随着现代高层建筑平面复杂多样化，在对转换层进行设计时应结合工程实际情况选择合适的方法。

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