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高层建筑带转换层的结构设计研究

发表时间：2021/6/17 来源：《基层建设》2021年第6期作者：周一峰

[导读] 摘要：对于高度和体量不断增加的现代建筑来说，转换层结构设计的重要性不断提升，直接关系着建筑的安全性和稳定性。

        中国瑞林工程技术股份有限公司广东省深圳市 518000
        摘要：对于高度和体量不断增加的现代建筑来说，转换层结构设计的重要性不断提升，直接关系着建筑的安全性和稳定性。基于此，本文将简单介绍高层建筑带转换层的结构设计方法，并结合实例深入探讨高层建筑梁式转换层结构设计，希望研究内容能够给相关从业人员以启发。
        关键词：高层建筑；结构设计；梁式转换层
        前言
        梁式转换结构在高层建筑领域的应用最为广泛，主要通过下部柱、转换梁、上部墙等构造实现力的传导。梁式转换结构具备传力明确、直接特点，且同时拥有计算简便、造价较低等优势，一般设计时需基于0.8～6m区间控制转换梁的截面高度。
        1. 高层建筑带转换层的结构设计方法
        1.1设计原则
        在高层建筑带转换层的结构设计环节，应遵循四方面原则：第一，减少转换。具体设计需关注竖向主体结构持续性的保持，减少施工环节转换次数；第二，优化转换结构。高层建筑的结构稳定直接受到抗震性能影响，因此需要重点关注抗震能力设计，科学利用支柱、扁梁等结构工具进行设计，更好满足抗震设计需要，这一过程需同时考虑可能出现的过大柱剪力，以此设法提高重力荷载条件下结构的刚度和强度标准；第三，直接传力。设计过程中不仅需要减少转换，还应同时关注抗震后板结构稳定性，为实现复杂的多级转换减少，可考虑开展直接传力设计，以此消除间接传力，传力稳定性将大幅提升；第四，保证结构强度。具体设计还需要关注高层建筑带转换层的强度和刚度，结构的受力均匀、设计合理也需要得到重视[1]。
        1.2设计方法
        高层建筑带转换层结构设计需要与已经建立的力学模型相适应，如混凝土梁式转换层设计需保证钢筋材料与混凝土材料的同时工作且最终变形基本一致。考虑到建筑结构采用厚板转换层设计存在较为复杂的设计及施工，且抗震设计及工程成本控制会受到负面影响，因此需谨慎采用这类设计。对于混凝土梁式转换层结构来说，设计方案必须做到结构安全性、稳定性、延展性能均较高，真正实现钢筋、混凝土、型钢的有机结合，设计的抗震性能将充分发挥，设计的耐火性和耐久性也需要同时得到重视，以此合理控制保护层厚度。基于结构具体情况，还需要合理设计钢筋的制作尺寸和绑扎次序，并关注钢筋避让和穿插关系合理性。此外，具体设计还需要设法实现竖向结构刚性差异的降低，建筑剪力墙的科学设置也需要得到重视，如采用安全系数较高的补偿剪力结构，并保证落地构件设计、尺寸、截面的均匀，剪力墙中钢筋的合理设置也需要得到重视，同时优化结构梁两端部分，结构承受应力和短肢墙内力将有效控制[2]。
        2. 实例分析
        2.1工程概况
        以某地上22层、地下1层的高层建筑作为研究对象，工程的1-4层、5-20层分别为商业用房、住宅层，总建筑面积为25840m2。1层、2-4层采用框架简体结构，层高分别为5m、4m，5-20层采用剪力墙简体结构，层高为3m。基于案例工程实际，需要设置结构转换层于4-5层间，该转换层同时负责操作设备存放。
        2.2楼层转换方案设计
        箱式、板式、梁式均属于常见的高层建筑转换层结构形式，通过形成较大的空间，这类转换层可转变结构类型以及轴线，而考虑到梁式转换层存在较为明确的受力结构，且在设计和施工便利性方面具备显著优势，因此案例工程在综合对比后最终开展了梁式转换层设计，由此将楼板与转换梁上、下两端连接，转换层采用2.5m高度设计，上层楼板、下层楼板厚度分别为20cm、300cm。采用C40强度混凝土，上部的剪力墙由转换梁承托。转化梁在高层建筑梁式转换层中本质上属于杆件，具体的分析与设计可基于梁单元针对性开展，转换层上层楼板处设置有梁的轴线，整体结构中适当的力度需通过比较上下层的刚度确定，避免薄弱层因竖向刚度的变化形成。在具体设计中，案例工程采用110×110cm规格截面尺寸的转换层下层柱子设计，剪力墙的强度等级、厚度分别设置为C45、50cm，转换层上层剪力墙的强度等级、厚度分别为C45、35cm。
        2.3转换梁设计
        转换梁在高层建筑中负责对上部剪力墙的承托，存在较大受力，高层建筑结构安全性会直接受到影响。案例工程转换梁截面高度2.5m，跨度在9m左右，为保证转换梁设计的科学完成，案例工程针对性开展了两种连续短梁的试验。试验采用1/5转换梁尺寸的缩尺模型，图1为其配筋形式及截面尺寸。结合相关试验可以发现，存在符合平截面建设的转换梁正截面平均应变，中支座内剪跨区梁腹中部与加载点处出现斜裂缝，可将其视作剪斜裂缝，临界斜裂缝会在长时间的发展中形成。顺着梁的方向，顶部的纵筋和底部的纵筋能够对相应的应力进行分散，在出现斜裂缝前，其与弯矩图保持一致性，与弯矩图的明显差距会在斜裂缝出现后产生，这说明较大程度的转换梁内应力变化发生。对处于受拉状态的转化梁底部纵筋来说，内剪跨内的顶部纵筋也同时处于一种受拉状态。在试验受到破坏时，临界斜裂缝的箍筋在内剪跨区段内会受到一定拉力，混凝土压疏也会在剪压区内出现，而在达到原来应力53%的穿越斜裂缝箍筋应力变化出现时，混凝土在剪压区内未能出现压疏现象。

        图 1 缩尺模型
        基于试验得出的结果，为保证斜裂缝出现后梁式转换层的转换梁充分发挥纵筋拉杆效果，其底部纵筋在跨内不得出现截断或弯折现象，因此需要在支座中将整个纵筋全部伸入，具体固定需同时使用相关的可靠锚。在跨中转换层的顶部纵筋需要通长布置，以此避免较早被折断的情况出现。对拥有较大横截面尺寸的转换梁来说，需将一定数量的水平腹筋依据梁高进行针对性配置，以此实现一定受剪承载力的承受，同时设法抑制整个裂缝的发展，整个工程受到的混凝土收缩和相关温度影响也能够降到最低。
        2.4转换层抗震设计
        在高层建筑带转换层设计环节，需关注高层建筑物高度方向转换层刚度均匀性受到的影响，为应对产生突变的承载力构件与墙、柱截面，转换结构抗震性能必须在设计过程中得到重视。因此案例工程3层及以上的部分转换层采用框支剪力墙结构，且具体设计严格遵循国家相关标准及相关构架的抗震等级。此外，相关构件抗震性能构造的针对性配备也需要得到重视，建筑物的抗震等级能够随之有效提升，案例工程转换层的抗震效果最终得以满足具体需要。
        结论
        综上所述，高层建筑带转换层的结构设计需关注多方面因素影响。在此基础上，本文涉及的楼层转换方案设计、转换梁设计、转换层抗震设计等内容，则提供了可行性较高的设计路径。为更好设计高层建筑转换层结构，复杂部位和重点部位的精细化处理、结构设计与功能的协调统一、地震荷载条件下设计的延展性保证同样需要得到重视。
        参考文献
        [1]杨一洋.探究梁式转换层结构设计在高层建筑工程中的应用[J].建材与装饰，2019(11):107-108.
        [2]常晋.高层建筑梁及板式转换层的结构设计研究[J].山西建筑，2019,45(09):42-44.