建筑轉換層結構設計中應注意的問題

薛永良

【摘 要】隨著我國建筑行業的大力發展，建筑質量受到越來越多的關注。針對建筑結構設計中常見的問題進行研究分析，并結合相關實例進一步說明建筑結構設計中相關問題的解決措施，以期對讀者有所幫助。

【關鍵詞】建筑結構；設計；轉換層

1.常見問題分析

1.1地基與基礎設計

在進行地基設計時，需要同時注意建筑基礎和建筑主體的作用，采取有效的措施加強上部結構的強度和剛度，提高建筑物對地基變形的適應能力。由于我國占地面積廣，地質條件復雜，所以在進行地基設計時一定要參考地方性規范的內容，以避免設計不當造成整個結構設計或后期設計工作的進行。同時，在設計中需要注意的是地基承載力的計算，對于水平荷載較大或者地形有坡度的建筑，地基處理之后需要進行穩定性計算。并在地基處理之后，在施工期間需要對建筑物地基變形進行觀測，以確定地基加固效果和后期維護的數據依據。其中復合地基處理之后其承載力特征值需要進行試驗確定，以保證地基的承載效果。建筑基礎作為地基與建筑主體的連接部分，主要作用是將建筑物的荷載傳遞到基礎。一般情況下，建筑基礎的處理方法有剛性條形基礎、單獨樁基、十字交叉梁條形基礎、筏形基礎以及箱型基礎。其中在進行建筑基礎結構設計時需要根據工程的水文地質條件、功能要求、建筑體型以及荷載大小分布狀況等選擇合理經濟的基礎形式。

在樁基設計時需要注意樁的布置，力求使各樁頂部受到均勻荷載，并且在縱橫墻交叉處需要布置樁，對于橫墻較多的建筑結構則可以在橫墻兩側的縱墻上布置樁，需要特別注意的是在門洞口下面不宜布樁；對于剪力墻結構，在布樁的時候需要考慮剪力墻兩端應力集中的問題，且在剪力墻中和軸附近的樁可以按受力情況均勻布置。對于粘性土、粉土等土質，樁端進入持力層的深度不宜小于樁徑的2倍，砂土以及強風化軟巖質的土，其深度不宜小于樁徑的1.5倍，而對于碎石土等其深度適宜大于樁徑且不宜小于0.5m。當建筑場地有液化土層時，樁身應該穿過液化土層進入其以下的穩定土層，對于碎石土、堅硬粘性土和密實粉土，進入深度需要大于等于0.5m，對于其他非巖石土需要大于1.5m。

1.2剪力墻設計

在進行剪力墻設計時需要注意的事項如下。

1.2.1剪力墻布置

剪力墻布置時需要注意盡量使整個建筑物的剛心和質心趨于重合。常見的問題以及解決辦法如表1。

1.2.2剪力墻配筋

在進行配筋設計時，一般要求水平鋼筋放在墻體外側而豎向鋼筋放在墻體內側，且滿足規范建議的最小配筋率。

表 1 常見的問題以及解決辦法

注：墻高厚比≤8時，為短墻，墻高厚比>8為普通強。

根據筆者經驗，建議配筋數據為：加強區Φ10@200，非加強 區Φ8@200雙層雙向即可， 雙排鋼筋之間采用Φ6@600×600拉筋。對于地下部分的墻體則需要另外考慮，根據《地下工程防水技術規范》規定，迎水面保護層應大于50mm，且在保護層內增設雙向鋼筋網片。

1.2.3剪力墻構造

按照相關規范規定，剪力墻應該設置邊緣構件，對于抗震等級為一、二級的建筑，剪力墻底部加強部位以及其上一層的墻肢端部應設置約束邊緣構件；其余剪力墻應設置構造邊緣構件。在剪力墻配筋計算中對于普通剪力墻來說，其暗柱配筋滿足規范要求的最小配筋率，建議加強部位0.7%，一般部位0.5%；對于短肢剪力墻，按照《高層建筑混凝土結構技術規程》 其配筋率加強區 1.2%，一般部位1.0%；對于受力性能較差的小墻肢，適宜按照框架柱進行截面設計，并控制其縱向鋼筋配筋率，建議加強部位1.2%，一般部位 1.0%。

1.3結構計算與分析研究

在建筑結構計算與分析的時候，需要結構工程師注意以下問題：首先，如何選擇合適的計算軟件。目前，結構設計比較常用的計算軟件有 SATWE、TAT、TBSA、ETABS、SAP等，對于不同的計算軟件其計算結果具有一定的差異，這就需要結構工程師根據結構的實際情況判斷適用的計算軟件計算可參考數據，保證結構的合理以及安全性。其次，多塔之間振興參與系數計算。在分析計算該類建筑時，按照建筑塔樓之間的剛度差等不同情況將建筑作為整體計算或者分開計算，以保證計算結果能準確顯示結構狀況。最后，非結構構件的設計與計算。在建筑中往往會出現一些為了建筑美觀或者滿足功能要求的并不承重的非結構構件，在計算時組要充分考慮地震以及風力等不確定因素的影響，嚴格按照規范進行計算。

1.4高層建筑轉換層結構設計

結構轉換層作為將建筑上部樓層結構的類型和布置轉換為下部樓層結構類型和布置的水平結構，主要的結構形式一般有梁式轉換層、厚板式轉換層、桁架轉換層、箱型轉換層以及懸掛結構等。在建筑設計過程中，如何選擇結構轉換體系，必須結合建筑各方面具體情況，保證結構的安全與經濟。在進行設計時需要注意如下方面。

1.4.1梁式轉換層

梁式轉換層對于開洞有著一定的限制，其開洞位置適宜設置在梁中部或者軸附近。轉換層大梁的截面尺寸一般由剪壓比計算確定，公式為：（μV=Vmax/fcbh0），且其截面高度在抗震設計時必須小于計算跨度的1/6，在非抗震設計中需要小于計算跨度的1/8。當建筑結構縱橫向都需要轉換時，還可以采取雙向梁布置的轉換方式來滿足要求。

1.4.2桁架轉換層

桁架轉換層形式的受力機理比較復雜，力學計算比較困難，同時在抗震設計上也存在著很多問題。在進行設計時需要注意當轉換層位置較高時，位于轉換層附近的樓層之間側移會隨之變化，并影響結構內力，使得轉換層附近的樓層成為結構薄弱點；當轉換層位置較低時，容易受到地震的影響，需要考慮桁架轉換層豎向抗震設計。

1.4.3箱型轉換層

箱型轉換層較少用于高層建筑結構設計中，其平面內剛度性能處于梁式轉換層和厚板轉換層之間，一般由單向或者雙向托梁連同其上下較厚的樓板組成箱型結構，且上下樓板厚度不宜小于180mm。

2.實例列舉

2.1日本I.B.M大樓

I.B.M大樓共有41層，建筑高度達 156.3m，轉換層大梁主要支撐 24～41層的全部結構，總荷載有10707t，轉換層大梁跨度有41.7m。且建筑東側立面有一個巨大的矩形孔洞從18層直接延伸到24層。在設計時為了盡量簡短應力狀態，選擇以簡支的方式連接芯筒與大梁。大梁預應力的施加分為兩次進行，保證大梁在全荷載作用下跨中撓度接近于零。選用兩端矩形過渡到中部為工字型的截面形狀，滿足跨度和荷載要求。

轉換層結構體系中鋼結構大梁的主要特征數據如表2。

2.2理論聯系實際—轉換層結構體系的選擇

由此實例可以看出，由于建筑跨度和荷載的要求，在選擇轉換層體系上就會有不同的側重點。高層建筑結構轉換體系設計時需要考慮的因素有豎向撓度、豎向荷載、層剛度比以及層間側移等。由于此大樓的跨度比較大，所以采用預應力混凝土大梁并以簡支的方式連接支座以解決應力復雜的問題。

表 2 轉換層結構體系中鋼結構大梁的主要特征數據

3.建筑結構設計理念分析

建筑結構設計中有很多設計理念作為設計依據，本文就建筑抗震理念進行分析。由于地震具有不確定性、隨機性，因此并不能準確預測建筑物遭受地震的參數和特性。分析建筑在地震過程中的相互作用，在結構分析方面需要充分考慮建筑的空間作用、阻尼變化、材料時效以及非彈性性質等因素，在設計時，既注意總體布置上的大原則，又顧及到關鍵部位的細節構造，從根本上提高結構的抗震能力。因此，提出強柱弱梁的概念。在設計時，需要嚴格控制柱軸壓比，在任何情況均不宜超過 0.9%。建議布置全柱加密箍筋，且配筋率不宜小于1%的加強角柱；框架柱柱筋品種不宜過多，且對于矩形截面柱，應盡力對稱配筋，以保證在地震作用下形成梁鉸機制，防止柱比梁先破壞。保證建筑小震不壞，中震可修，大震不倒。

4.結語

隨著建筑行業的大力發展，建筑結構由于建筑功能的需求也發生各種改變，在實際的建筑結構設計中往往需要某幾種建筑材料混合才能滿足結構設計的要求。在結構設計分析階段，應該盡量按照規范要求對結構進行內力分析以及結構計算，保證工程設計質量。不管是框架結構、筒體結構還是框剪結構，在設計的時候都要保證結構有足夠的剛度、抗震性。

【參考文獻】

[1]尹國強.淺談建筑結構設計相關問題實踐[J].科技與企業，2012，（04）.

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