建筑结构错层分析与设计探讨

建筑结构错层分析与设计探讨

王洋

烟建集团有限公司山东烟台264000

摘要：在近几年来,国内外高层建筑发展迅速,上部是住宅、旅馆,中部为办公用房,下部用作商场、餐馆等,多功能及综合性用途的高层建筑己经愈来愈多。楼层建筑功能的改变,往往需要改变竖向结构型式或改变柱网轴线,甚至两者都改变。这样,在竖向结构体系发生变化的楼层就要设置转换层(transferfloor),转换层也称为过渡层。下面就结合作者实际工作经验简要的分析建筑结构错层分析和设计，以供借鉴。

关键词：建筑结构；错层分析；设计

前言

本文论述了各种转换层类型和功能,阐述了转换层结构的设计和施工要点,最后给出了在转换层施工中的注意事项,为后续施工提供了理论依据。

1转换层的类型和功能

按照不同的结构转换功能,转换层可分为三种类:

1.1高层建筑上层与下层的结构形式不同,通过转换层完成上层至下层的变化。也叫结构型式的转换。这种功能被广泛应用于框剪结构和剪力墙结构,结构转换层将上部剪力墙转换为下部框架,给下部楼层创造一个较大的内部空间。例如,沈阳的金星饭店,地面以上23层,总高度为80m。第1―5层为框架结构,第7层以上为剪力墙结构,第6层为转换层。

1.2高层建筑上层与下层的结构形式不变,但通过转换层完成其从上层到下层不同柱网轴线布置的变化,也就是柱网轴线的转换,但通过结构转换层,使下层形成大柱网,以满足外框筒的下层形成较大入口和较大空间的需要。香港新鸿基中心,总高度为178.6m,1―4层为大空间商业用房,5层以上为办公楼。为解决底层大柱网入口处上、下不同结构柱网轴线的转换,采用截面尺寸为2.0m×5.5m的预应力混凝土大梁,将下层柱距扩大为16.8m和12m。

2转换层的设计要点

转换梁的跨度为8.05―9.0m,截面高度2.5m,跨高比3.2―3.6,多跨转换,属连续短梁。转换梁截面尺寸一般由剪压比控制确定,其承载力一般也由斜截面受剪承载力控制。混凝土结构设计规范没有明确给出短梁的斜截面受剪承载力计算公式。根据研究,建议:

第一，转换梁正截面受弯承载力仍按普通梁计算。

第二，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。

第三，转换梁的截面尺寸。转换梁截面尺寸一般较大,沿梁高还应配置适量的水平腹筋,一方面可以抑制斜裂缝的开展,抵抗温度应力和混凝土收缩应力,另一方面也可以提供一定的受剪、受弯承载力,作为构件的安全储备。

3转换层施工的重点和难点

模板支撑系统、钢筋的连接与绑扎、混凝土浇筑及裂缝控制,具体如下:

3.1因转换梁截面尺寸大,转换层的混凝土与钢筋自重以及施工荷载非常大,因此如何确定转换层梁板模板的支撑系统是转换层施工的重点之一,必须保证支撑系统的承载力和整体稳定性。

3.2转换梁的配筋量大、主筋长、布置密,在梁柱节点区钢筋更是纵横交错。因此,如何正确地翻样和下料,保证钢筋位置和数量的正确是钢筋施工的关键。

3.3转换梁的截面较大,梁柱节点的核心区钢筋纵横交错,钢筋间距小,混凝土自由下落困难,且易产生温度及收缩裂缝。因此,如何保证混凝土顺利浇筑和防止裂缝的产生是保证混凝土施工质量的关键。

4转换层施工要点

4.1大体积混凝土和钢筋密集部位混凝土的浇捣要点

转换层的梁、柱钢筋分布密集,且为大体积混凝土,对混凝土的施工要求特别高。为了提高混凝土的流动性,便于高密度钢筋混凝土的浇捣,同时控制混凝土水泥用量、降低水化热,而且,掺合料最好使用细石混凝土,并选用细度模数在2.5以上的中砂,严格控制好搅拌时间,保证混凝土的施工质量。

4.2模板工程施工要点

梁、板的模板安装,为保证大截面梁模板的刚度和强度符合要求,梁下支撑的门式架间距必须按实际受力情况进行计算后确定,并采用≠48钢管作水平拉杆及剪力撑。此外,梁底的承重木枋必须全部采用经过挑选的完好木枋。截面较高的梁,侧模安装应在梁中部加钢螺栓,其间距及排距必须经受力计算后确定。再用≠48钢管作侧模的水平杠,做法与剪力墙基本相同。这样才能保证大截面梁的模板安装质量。

4.3钢筋工程施工要点

钢筋抽料应严格按施工图及规范的要求计算。柱梁节点处钢筋密集,交错的部位必须先给出钢筋布置图后再严格按规范设置。钢筋下料前必须严格对钢筋抽料表进行复核。超密集部位的钢筋施工,应在施工现场先放样后再进行安装,做到合理安排钢筋就位次序。为保证保护层厚度,采用坚硬的花岗岩石板碎块作垫块,间距1.0m,统一垫在箍筋下,在梁骨架就位前放置。

5结构设计总结

转换结构层具有与一般结构层相比结构重量大、结构层刚度大、几何尺寸超大、受力复杂等特点。这样的尺寸和重量意味着转换结构组成了建筑物的主要构件。它们设计的是否合理、安全、经济对整个结构的安全性、结构造价、施工费用等有着重要影响。因此要对转换层结构的受力特性、截面选择、设计计算方法以及配筋构造等进行深入研究，为工程设计、施工提供指导。以下几点应在高层建筑转换层设计中重点考虑。

5.1尽可能降低设置结构转换层所在楼层的高度

建筑属复杂的高层建筑，其结构竖向刚度存在一定程度的突变，且转换层上下附近的刚度、变位和内力都会发生突变，易形成薄弱层，对抗震不利。所以，设置转换层应坚持转换层位置宜低不宜高的观点。尽量降低转换层的层位，尤其抗震结构设计，宜避免高位转换，三层以下为宜，一般不超过六层。

5.2上下轴网尽可能对齐不错位

如果结构上部、下部的轴网全部错位，则转换层结构可能只得采用厚板式，厚板式转换层结构是所有转换层结构中缺点最多的一种形式。不仅受力不好，设计难度高，施工困难，而且极不经济。为避免采用厚板式转换层结构，尽可能采用梁板式或其他形式的转换层结构，其必要条件就是上下轴网部分对齐，轴网对齐的比例越高，转换层结构的设计就越简单容易，结构受力更明确，经济效果更好，这方面有赖于结构与建筑方案的密切配合和协调。

5.3合理布置框支柱、剪力墙

结构转换层的高层建筑，不论采用何种结构体系，都必须保证部分剪力墙直接落地；转换层下面的框支柱的柱距疏密均匀，框支柱与剪力墙（通常是核心筒）的距离位不宜太大（控制在12m以下）。转换层以上的剪力墙应采用大开间布置。强化下部，保证下部大空间结构有足够的刚度、强度、延性和抗震能力。转换层的平面须比轴规则，保证转换大梁的刚度和出平面外的稳定性。

5.4分析时考虑结构整体计算外加局部应力

转换层的结构型式与普通杆件或薄壁杆件差别很大，形状复杂，内部应力集中，受力复杂。因此，设计中在整体计算控制的前提下，对转换层转换构件的分析需采取其它有限元分析程序作补充计算，最好直接选用以墙元或有限元分析为原理的计算程序进行设计，详细分析其各处的应力，按有限元计算结构进行配筋。

结束语

总之，转换层结构要承受上面各层的全部荷载,因此施工过程中必须严格控制好施工质量,有切实的质量保证措施,精心施工,才能避免出现质量问题。

参考文献

[1]唐兴荣.高层建筑转换层结构设计与施工[M].北京:中国建筑工业出版社,2002.

[2]朱伯龙.结构抗震试验[M].北京:地震出版社,1989.

[3]姚振纲、刘祖华.建筑结构试验[M].上海:同济大学出版社,2000.