高層建筑結構設計與研究

 摘要：當前，隨著我國城市化進程的不斷加快，高層建筑物的數(shù)量在持續(xù)不斷地增加。在高層建筑物中，梁式轉(zhuǎn)換層具有承上啟下的作用，因而在設計的過程中需要與上部結構中的豎向載荷相結合，通過進行科學、合理的設計與規(guī)劃來減少結構突變及應力集中的現(xiàn)象產(chǎn)生，由此來保障整個結構的連續(xù)性以及受力的平穩(wěn)性。

關鍵詞：梁式轉(zhuǎn)換層；高層建筑；結構設計

近年來隨著我國社會經(jīng)濟持續(xù)不斷的發(fā)展，人們的生活質(zhì)量及水平也隨之得到了極大程度的提升與發(fā)展。進而，對相關建筑物的結構設計及要求也在不斷地增加，以此來更好地滿足人們在日常生活中對停車及購物等方面的要求�；�于此，很多的高層建筑采用了梁式轉(zhuǎn)換層的結構來進行設計與規(guī)劃，進而提升了整個高層建筑的實用性，為人們的生活提供了更多的便捷。

1高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層設計概述

1.1梁式轉(zhuǎn)換層結構設計特點

就當前我國高層建筑中應用梁式轉(zhuǎn)換層的效果來看，通過應用梁式轉(zhuǎn)換層能夠促使高層建筑的上下荷載力保持在一個平衡的狀態(tài)之中，進而能夠有效地避免由于結構發(fā)生形變而導致受力不均勻的現(xiàn)象，進而增加了整個結構的穩(wěn)定性。此外，在設計建筑的過程中，通過在梁式轉(zhuǎn)換層中增設一些管道、通道等線路能夠提升整個高層建筑多功能性，為其中的用戶提供暖氣、水電等相關的保障措施。但是，目前我國帶有國內(nèi)轉(zhuǎn)換層的高層建筑大多采用的都是上部剪力墻、下部框架式的結構，其框架式剪力墻的結構如圖1所示。這種形式的設計還需要通過應用相關的轉(zhuǎn)換構建來對高層建筑的結構內(nèi)力進行重新的分配，進而來調(diào)整高層建筑的內(nèi)部應力，防止其發(fā)生形變。

1.2高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層的構造特點

在高層建筑的設計過程中，轉(zhuǎn)換層的應用十分普遍，其中的建筑構造形式也存在著多樣性的變化，具體如圖2所示。目前，在我國高層建筑轉(zhuǎn)換層的設計中，梁式轉(zhuǎn)換層的應用最多，板式轉(zhuǎn)換層以及箱型轉(zhuǎn)換層等的應用次數(shù)較低。梁式轉(zhuǎn)換層由于尺寸較大、結構設計簡單、便于施工等特點，在實際的建設設計當中的應用十分廣泛。此外，梁式轉(zhuǎn)換層在高層建筑設計應用中還有性能穩(wěn)定、工程造價核算便捷以及經(jīng)濟效益較高等有利的特點。

1.3高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層受力特點

梁式轉(zhuǎn)換層在高層建筑應用過程中主要是維持高層建筑內(nèi)部穩(wěn)定，使其能夠受力均勻，通過上部密集小空間的豎向載荷傳遞到下部稀疏的大空間中。但是由于高層建筑的結構設計通常都比較復雜，所具有的功能也具有多樣化的特性，從而會造成內(nèi)部荷載在豎向傳遞的過程中出現(xiàn)中斷的問題，進而造成建筑整體剛度發(fā)生突變的現(xiàn)象。這種建筑的形式在發(fā)生地震時，很容易由于下部結構的稀疏而發(fā)生坍塌及變形的事件。因此，在對高層建筑進行轉(zhuǎn)換層設計時，需要針對受力均衡問題展開有效的分析與解決，由此來避免建筑結構被破壞的事故發(fā)生，盡可能地減少相關財產(chǎn)的損失。

2梁式轉(zhuǎn)換層的高層建筑結構設計案例

2.1工程概況

A市某高層建筑，有地下1層，地上22層，總建筑面積為25840m2。其中的1-4層為商業(yè)用房，1層的層高為5m，2-4層的層高為4m，采用框架簡體結構。5-20層均為住宅層，層高為3m，采用的是剪力墻簡體結構。21-22層分別是電梯的機房以及屋面水箱，層高為3m。針對這種情況，需要在整棟建筑物中的4-5層之間設置一個結構轉(zhuǎn)換層，同時存放相關的操作設備。其樓層結構平面設置的情況如圖3所示。

2.2樓層轉(zhuǎn)換方案

在對這個高層建筑進行樓層結構轉(zhuǎn)換的時候，所采用的轉(zhuǎn)換層的結構形式為梁式、板式、箱式等多種形式。由于這些轉(zhuǎn)換層能夠形成一個較大的空間，進而完成結構類型以及軸線的轉(zhuǎn)變。其中的梁式轉(zhuǎn)換層對相關的受力結構比較明確，從而在設計及施工過程中的操作比較便捷，應用的范圍較為廣泛。因此，在本工程的施工過程中采用梁式轉(zhuǎn)換層的方式，其轉(zhuǎn)換層的高度為2.5m，轉(zhuǎn)換梁上、下兩端與樓板相連，上層樓板厚度為20cm，下層樓板的厚度為300cm。轉(zhuǎn)換梁承托上部的剪力墻，且所使用的混凝土強度為C40。

2.3整體結構分析

在高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層中所使用的轉(zhuǎn)化梁本身是桿件，能夠直接地按照梁單元進行相關的分析與設計，同時，梁的軸線位于轉(zhuǎn)換層的上層樓板處，在整體結構中需要通過對上下層的剛度進行比較來確定適當?shù)牧Χ�，防止豎向剛度的變化而形成薄弱層。據(jù)此，轉(zhuǎn)換層的下層柱子截面尺寸可以設置為110cm×110cm，剪力墻的厚度為50cm，混凝土的強度等級為C45。同時，轉(zhuǎn)換層上層的剪力墻的厚度為35cm，混凝土的強度等級為C45。

2.4轉(zhuǎn)換梁設計

在高層建筑中，轉(zhuǎn)換梁承托上部剪力墻，受力較大，也是保障整個結構安全性的關鍵性因素。轉(zhuǎn)換梁的跨度大約在9m左右，截面的高度為2.5m。但是由于我國在混凝土設計規(guī)范中沒有明確地給出承載力計算的方法，進而對此進行了兩種連續(xù)短梁的試驗研究。

2.4.1試驗結果

本試驗中所采用的轉(zhuǎn)換梁為轉(zhuǎn)換梁1/5的縮尺模型，其截面尺寸及配筋的形式如圖4所示。通過經(jīng)過相關試驗可知：該轉(zhuǎn)換梁的正截面平均應變符合平截面的建設。斜裂縫在加載點與中支座的內(nèi)剪跨區(qū)的梁腹中部出現(xiàn)，屬于剪斜裂縫，并通過長時間的發(fā)展成為臨界斜裂縫。底部的縱筋和頂部的縱筋會順著梁的方向來分散相應的應力，因而在斜裂縫出現(xiàn)之前，需要與彎矩圖保持一致性，而在斜裂縫出現(xiàn)之后則與彎矩圖產(chǎn)生明顯的差距，由此就說明了轉(zhuǎn)換梁內(nèi)的應力發(fā)生了較大程度的變化。此外，在轉(zhuǎn)化梁的底部縱筋處于受拉狀態(tài)中，頂部縱筋的內(nèi)剪跨內(nèi)也隨之處于一種受拉狀態(tài)。當試驗受到破壞時，內(nèi)剪跨區(qū)段之內(nèi)，臨界斜裂縫的箍筋會受到一定的拉力，剪壓區(qū)內(nèi)的混凝土壓疏。當穿越斜裂縫的箍筋應力變化為原來的應力的53%時，剪壓區(qū)內(nèi)的混凝土中就沒有壓疏現(xiàn)象。

2.4.2相關構造要求

依據(jù)相關的試驗結果，為了保證梁式轉(zhuǎn)換層中的轉(zhuǎn)換梁在斜裂縫出現(xiàn)后能夠起到縱筋拉桿的效果，其底部縱筋不能夠在跨內(nèi)形成彎折或者是截斷的現(xiàn)象，需要將整個縱筋全部地伸入到支座中，并使用相關的可靠錨進行固定。同時，轉(zhuǎn)換層的頂部縱筋在跨中不能夠較早地被折斷，最好進行通長布置。由于轉(zhuǎn)換梁的橫截面尺寸較大，因此需要依據(jù)梁高來配置一定數(shù)量的水平腹筋。由此，就能夠承受到一定的受剪承載力，進而對整個裂縫的發(fā)展情況有一個抑制的作用，能夠有效地減少相關溫度以及混凝土收縮對整個工程的影響力。

2.5轉(zhuǎn)換層抗震設計

在進行轉(zhuǎn)換層結構設計的時候，由于有轉(zhuǎn)換層的存在，致使高層建筑物在高度方向上的剛度均勻性會受到較大的影響，進而造成承載力構件與墻、柱截面產(chǎn)生突變，線路發(fā)生曲折的現(xiàn)象等等，因此，轉(zhuǎn)換結構需要較大的抗震性能。基于此，需要在該建筑物3層及以上的部分都設置部分框支剪力墻結構的轉(zhuǎn)換層。同時，相關構架的抗震等級還需要依照國家相關的標準進行。此外，還需要配備相關構件抗震性能的構造措施，以此來有效地提升建筑物的抗震等級，增加高層建筑物轉(zhuǎn)換層的抗震效果。

3結語

在高層建筑結構設計的過程中，通過應用梁式轉(zhuǎn)換層能夠有效地提升整個工程的項目建設效果，由此來提升整個高層建筑的穩(wěn)定性。此外，通過應用梁式轉(zhuǎn)換層還能夠在相關的成本造價、費圖4試驗梁截面尺寸及配筋用方面有一定程度的提升。因此，在高層建筑設計的過程中可以通過應用梁式轉(zhuǎn)換層來保證整個建筑工程設計的穩(wěn)定性，同時還能夠?qū)ο嚓P設計、施工單位的操作進行有效的控制，從而避免產(chǎn)生相關的問題及困難，最終做到優(yōu)化高層建筑設計，提升整個工程的結構。

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