对多高层建筑结构中转换结构的处理

2022-09-11

在多高层建筑结构设计中, 经常为获得大空间而设置转换结构。部分框支剪力墙结构是通过在框支梁以下部分剪力墙上开大洞获得需要的大空间的, 而在框架相应的位置抽去几根柱子同样可以形成大空间。这两种结构转换分别为对上部剪力墙的转换和对上部框架柱的转换, 一般称为框支转换和托柱转换。在现行规范《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ3-2002) (简称高规) 第10.2节中对底部大空间部分框支剪力墙高层建筑结构 (即框支转换结构) 作了详细的规定, 但却对其他形式的转换结构没有明确说明, 而且在其他现行国家规范 (如抗震规范) 中也未提及, 然而在结构设计中又会经常遇到, 这就加大了转换结构设计的难度。

例如笔者曾做过这样一个工程:岳阳云梦宾馆, 七层框架结构, 底部两层为大堂等公共区域, 上部为客房。为满足功能需要, 设置了转换结构 (图1) :在底部两层将 (B) 轴的部分框架柱抽除, 形成了较大空间。

这是一个很常见的托柱转换, 然而在设计这个转换结构时, 我们却面临了好些问题, 诸如:该转换结构是不是需要执行高规中对框支转换的规定, 若不执行依据又是什么;该工程上部楼层仅部分柱不连续时, 是不是加强整层楼盖还是可仅加强转换部位的楼盖, 等等。这就需要我们结合相关规定, 明确概念, 区分认识这两种转换结构。

框支转换和托柱转换两者的共同特点是上部楼层的部分竖向构件 (剪力墙或框架柱) 不能直接连续贯通落地, 需设置结构转换构件, 而转换构件传力不直接, 应力复杂。但在结构设计上, 两者受力性能却很不一样, 转换构件内力、配筋计算和构造设计上也有很大的区别。两者的区别如下。

(1) 两者受力不同:在竖向荷载作用下, 框支剪力墙转换层的墙体有拱效应, 支座处竖向应力大, 同时还有水平推力。框支梁就像是拱的拉杆, 在竖向荷载下除有弯距、剪力外, 还有轴向拉力。框支柱除受弯距、轴力外, 还承受较大的剪力。而抽柱转换形成的托柱梁在竖向荷载作用下的内力和普通跨中有集中荷载的框架梁相似, 只不过是梁跨度较大, 跨中有很大的集中荷载, 故梁端和跨中的弯距和剪力都很大, 但基本上没有轴向拉力, 柱的剪力较小。节点的不平衡弯距完全按相交于该节点的梁、柱刚度进行分配。柱为偏压构件。

(2) 竖向刚度变化不同:框支剪力墙转换层框支梁以上为抗侧刚度很大的剪力墙, 与下面的框支柱抗侧刚度差异很大, 转换层上下的侧向刚度比很大, 易形成结构薄弱层, 对结构抗震极为不利。而抽柱转换转换层上部和下部的框架刚度变化不大, 对结构抗震影响不大。

(3) 转换梁的承载力计算及配筋构造不同:框支梁为拉、弯、剪构件, 正截面承载力按偏心受拉计算, 斜截面承载力按拉、剪计算。高规第10.2.8条第2款规定:偏心受拉的框架梁, 其支座上部受力钢筋至少有50%沿梁全长贯通, 下部纵向钢筋应全部直通到柱内。而托柱梁为弯、剪构件, 正截面承载力按纯弯计算, 斜截面承载力按拉剪计算。其配筋构造和一般梁相同。

(4) 转换层的位置不同:部分框支剪力墙结构, 当转换层越高时, 转换层上下刚度突变越大, 不利于抗震。因此高规第10.2.2条规定底部大空间部分框支剪力墙高层建筑结构在地面以上的大空间层数, 8度时不宜超过3层, 7度时不宜超过5层, 6度时其层数可适当增加。对托梁转换, 由于转换层上下不存在明显的刚度突变问题, 因此, 规范对框架柱的转换没有明确的层数限制, 结构设计时只需要满足高规对框架柱转换的要求, 不必执行高规对部分框支剪力墙结构的设计要求。可将地面以上1/3房屋高度范围内确定为建筑的底部, 此范围内的框架转换应采取适当将强措施。

通过上述分析, 明确了框支转换和托梁转换的共同点和不同点, 找出了不同形式转换结构的设计依据, 那么对于局部转换设计时又如何处理呢?鉴于高规等国家规范对于局部转换未有明确的规定, 设计时可以参照一些地方规定进行处理。

参照广东省实施高规补充规定:当框架-剪力墙或筒体结构仅少量剪力墙不连续, 需转换的剪力墙面积不大于剪力墙总面积的8%时, 可仅加大水平力转换路径范围内的板厚、加强此部分的板配筋, 并提高转换结构的抗震等级。框支框架的抗震等级应提高一级, 特一级时不再提高。房屋的最大适用高度可按一般框架-剪力墙或筒体结构采用。对于托梁转换广东省实施高规补充规定还指出:对建筑上部楼层仅部分柱不连续时, 可仅加强转换部位楼盖, 但转换托梁的承载力安全储备应适当提高, 内力增大系数不宜小于1.1, 托梁的构造按实际的受力情况确定。

据此, 笔者认为当采用局部框支转换时, 转换层的位置可根据上下层刚度比适当放宽, 特别对梁托柱的局部转换, 转换层位置更可放宽。例如, 某工程在16层有局部退台, 需要在层设置四根单跨的托柱梁, 虽然传力间接, 但并未使结构的楼层竖向刚度发生较大变化, 不应受高规有关高位转换的限制。但对局部转换部位的构件应根据结构的实际受力情况予以加强, 例如提高转换构件的抗震等级、水平地震作用的内力乘以增大系数、提高配筋率等。

摘要：在建筑结构设计中经常会遇到转换结构, 针对最常见的两种转换形式:框支转换和托柱转换, 结合相关规定, 明确了转换结构的概念, 在其受力性能、转换结构构件内力、配筋计算和构造设计等方面作了区别, 另外还明确了局部转换的处理方法, 从而降低了转换结构设计的难度。

关键词：转换层,转换结构构件,框支转换,托柱转换,局部转换