有梁式轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討范文

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摘要：針對(duì)某高層建筑實(shí)際情況，對(duì)其轉(zhuǎn)換層技術(shù)方案、結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)與轉(zhuǎn)換梁設(shè)計(jì)進(jìn)行深入分析，以此為同類工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提供參考借鑒。關(guān)鍵詞：高層建筑；梁式轉(zhuǎn)換層；建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前言在高層建筑中，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)有重要作用，是保證功能正常發(fā)揮和建筑正常使用的關(guān)鍵構(gòu)件，同時(shí)也是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中的重點(diǎn)，應(yīng)引起相關(guān)設(shè)計(jì)人員的高度重視，以保證設(shè)計(jì)的合理性。

1工程概況

某高層建筑總建筑面積約2.6萬(wàn)m2，地上22層，設(shè)1層地下室，其中，地上1層至地上4層主要用于商業(yè)，地上1層的層高為5m，地上2層至地上4層的層高為4m，結(jié)構(gòu)形式為框筒結(jié)構(gòu)。地上5層至地上20層主要用于居住，層高均為3m，結(jié)構(gòu)形式為剪筒結(jié)構(gòu)。地上21層至地上22層的層高均為3m，為屋面水箱與電梯機(jī)房。按照以上設(shè)計(jì)形式，需在地上4層和地上5層中間布置轉(zhuǎn)換層，并作為建筑的設(shè)備層。現(xiàn)圍繞本高層建筑實(shí)際情況，對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作如下深入分析。

2高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層技術(shù)方案

在高層建筑中，轉(zhuǎn)換層形式主要有以下幾種：箱形轉(zhuǎn)換層、梁式轉(zhuǎn)換層、桁架式轉(zhuǎn)換層與板式轉(zhuǎn)換層，以上轉(zhuǎn)換層均可產(chǎn)生較大的空間，對(duì)結(jié)構(gòu)類型或者是軸線進(jìn)行轉(zhuǎn)換。上述幾種轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)中，以梁式轉(zhuǎn)換層的實(shí)際受力最為明確，無(wú)論是設(shè)計(jì)還是施工均較為簡(jiǎn)單，在目前得到了十分廣泛的應(yīng)用；另外，轉(zhuǎn)換梁上實(shí)際受力相對(duì)較小的部分，可按照設(shè)計(jì)要求開(kāi)洞，用于滿足不同的功能要求，為綜合管線布置創(chuàng)造便利。基于此，本高層建筑主要選用梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。該轉(zhuǎn)換層的高度為2.5m，梁體的上端、下端和樓板直接相連，上、下層樓板的厚度分別為200mm和300mm[1]。剪力墻直接被轉(zhuǎn)換梁承托。結(jié)構(gòu)主要采用C40混凝土。其截面尺寸采用以下公式進(jìn)行計(jì)算和確定：Vmax≤0.17fcbh0/γRE（1）式（1）中，Vmax表示轉(zhuǎn)換梁支座截面最大剪力組合設(shè)計(jì)值；γRE表示抗震調(diào)整系數(shù)；fc表示軸心抗壓強(qiáng)度；b表示轉(zhuǎn)換梁的截面寬度；h0表示轉(zhuǎn)換梁的有效高度。經(jīng)計(jì)算，本高層建筑轉(zhuǎn)換梁的截面寬度為900mm，有效高度為2500mm。

3高層建筑結(jié)構(gòu)整體分析

對(duì)轉(zhuǎn)換梁而言，它屬于典型的桿件，能直接視作梁?jiǎn)卧诟邔咏ㄖw結(jié)構(gòu)分析過(guò)程中使用，將梁體軸線確定在上層樓板，樓板的下方為轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)[2]。為有效避免由于豎向剛度變化較大產(chǎn)生薄弱層，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)充分考慮剛度比，在沒(méi)有特殊要求的情況下，剛度比應(yīng)接近1：γ=Gi+1Ai+1hiGiAihi+1（2）式（2）中，Gi表示第i層結(jié)構(gòu)的剪變模量；Gi+1表示第i+1層結(jié)構(gòu)的剪變模量；Ai表示第i層抗剪截面在折算后的面積；Ai+1表示第i+1層抗剪截面在折算后的面積；Aw表示沿計(jì)算方向剪力墻結(jié)構(gòu)截面積；Ac表示柱截面積；hi表示第i層層高；hi+1表示第i+1層層高。按照上述要求和規(guī)定，處在轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)以下的柱，其截面尺寸確定為1100mm×1100mm，剪力墻結(jié)構(gòu)的厚度為500mm和450mm，采用C45混凝土；處在轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)以上的剪力墻，周圍剪力墻結(jié)構(gòu)厚度為350mm，內(nèi)部剪力墻結(jié)構(gòu)厚度為250mm，采用C45混凝土。采用式（2）對(duì)x、y兩個(gè)方向上的剛度比進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果為1.73與1.51。從計(jì)算結(jié)果可以看出，結(jié)構(gòu)的第一到第三自振周期分別為：在x方向上，第一到第三自振周期分別為1.537s、0.449s和0.224s；在y方向上，第一到第三自振周期分別為1.717s、0.515s和0.275s[3]。

4高層建筑轉(zhuǎn)換梁設(shè)計(jì)

對(duì)于轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)，其直接承托處在轉(zhuǎn)換梁上部的剪力墻，受力相對(duì)較大，對(duì)保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與安全性有重要作用，為關(guān)鍵構(gòu)件。由于轉(zhuǎn)換梁的跨度在8.05~9.00m范圍內(nèi)，截面高2.5m，且跨高比在3.22~3.60范圍內(nèi)，所以為典型的連續(xù)短梁。因現(xiàn)行規(guī)范并未給出連續(xù)短梁的承載力計(jì)算與分析方式，所以應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)分析與研究[4]。

4.1結(jié)果與分析

將按1：5的比例縮小的轉(zhuǎn)換梁作為試驗(yàn)梁，其截面尺寸與配筋如圖1所示。從從試驗(yàn)梁的試驗(yàn)分析結(jié)果可以看出：（1）在正截面上產(chǎn)生的平均應(yīng)變，能滿足平截面基本假定。（2）對(duì)于斜裂縫，先在加載點(diǎn)到中支座的內(nèi)剪跨區(qū)段的梁腹中部產(chǎn)生，為典型的腹剪式斜裂縫，經(jīng)發(fā)展后，變成臨界式斜裂縫。（3）頂部縱筋與底部縱筋在梁長(zhǎng)方向上的應(yīng)變?nèi)鐖D2所示。從以上結(jié)果可以看出，斜裂縫產(chǎn)生以前，應(yīng)變分布和彎矩圖基本保持一致；而斜裂縫產(chǎn)生以后，和彎矩圖有很大的差別，這說(shuō)明梁中應(yīng)力出現(xiàn)重分布；在到達(dá)臨界破壞狀態(tài)后，底部縱筋在梁長(zhǎng)方向上將處在受拉的狀態(tài)，同時(shí)對(duì)于頂部縱筋，其在內(nèi)剪跨中，同樣也處在受拉的實(shí)際狀態(tài)[5]。（4）當(dāng)試驗(yàn)梁發(fā)生破壞時(shí)，在內(nèi)剪跨區(qū)段中，直接穿越整個(gè)臨界斜裂縫區(qū)域的箍筋，將開(kāi)始受拉屈服，使剪壓區(qū)中的混凝土發(fā)生壓疏；在外剪跨區(qū)段當(dāng)中，箍筋實(shí)際應(yīng)變只有屈服應(yīng)變的一半左右，這一區(qū)域內(nèi)的混凝土不會(huì)發(fā)生壓疏。（5）當(dāng)試驗(yàn)梁發(fā)生破壞時(shí)，直接穿越整個(gè)臨界斜裂縫區(qū)域的腹筋，其拉應(yīng)變只有屈服應(yīng)變一半，由此可以看出，腹筋并未發(fā)揮其應(yīng)有的強(qiáng)度與作用。（6）對(duì)試驗(yàn)梁而言，其相對(duì)撓度可以達(dá)到1/526，這在很大程度上說(shuō)明轉(zhuǎn)換梁具有一定抗彎剛度。

4.2承載力的計(jì)算

根據(jù)以上第一條試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)正截面上的受彎承載力，其計(jì)算可直接按照普通梁進(jìn)行。根據(jù)以上第四條和第五條試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)斜截面上的受剪承載力，由箍筋與混凝土負(fù)責(zé)承擔(dān)，腹筋對(duì)斜截面上的承載力有11%左右的貢獻(xiàn)。基于此，在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)腹筋作用可不予考慮。

4.3構(gòu)造要求

根據(jù)以上第三條試驗(yàn)結(jié)果，為有效保證縱筋充分發(fā)揮拉桿作用與效果，以此形成穩(wěn)定的受力體系，處在底部的縱筋一般不允許在跨中產(chǎn)生截?cái)嗯c彎起，需要伸入到支座當(dāng)中，同時(shí)有穩(wěn)定可靠的錨固；而處在頂部的縱筋，跨中周圍不能過(guò)早發(fā)生截?cái)啵跅l件允許的情況下進(jìn)行通長(zhǎng)布置[6]。對(duì)于轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)，且截面尺寸相對(duì)較大，在梁高方向上需配置腹筋，腹筋能提供受剪及受彎承載力，這樣無(wú)論是減少收縮還是延緩開(kāi)裂，都具有重要作用。截面尺寸主要根據(jù)剪壓比進(jìn)行控制，根據(jù)以上第二條試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)結(jié)合深梁及腹梁等的截面尺寸規(guī)范要求，轉(zhuǎn)換梁的實(shí)際截面尺寸必須符合式（1）要求。

5結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上分析可得，梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的受力十分明確，而且在設(shè)計(jì)與施工上也較為簡(jiǎn)單；本高層建筑所用轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)為典型的連續(xù)短梁，無(wú)論是構(gòu)造要求、受力性能還是承載力的設(shè)計(jì)計(jì)算，都和普通梁存在很大的不同，需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中予以特別重視，保證設(shè)計(jì)的合理性與可行性。

參考文獻(xiàn)

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作者：謝興華 單位：華藍(lán)設(shè)計(jì)（集團(tuán)）有限公司