高層建筑結構設計與研究論文
摘要：當前，隨著我國城市化進程的不斷加快，高層建筑物的數量在持續不斷地增加。在高層建筑物中，梁式轉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、合理的設計與規劃來減少結構突變及應力集中的現象產生，由此來保障整個結構的連續性以及受力的平穩性。
關鍵詞：梁式轉換層；高層建筑；結構設計
近年來隨著我國社會經濟持續不斷的發展，人們的生活質量及水平也隨之得到了極大程度的提升與發展。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。基于此，很多的高層建筑采用了梁式轉換層的結構來進行設計與規劃，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高層建筑梁式轉換層設計概述
1.1梁式轉換層結構設計特點
就當前我國高層建筑中應用梁式轉換層的效果來看，通過應用梁式轉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之中，進而能夠有效地避免由于結構發生形變而導致受力不均勻的現象，進而增加了整個結構的穩定性。此外，在設計建筑的過程中，通過在梁式轉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，目前我國帶有國內轉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換構建來對高層建筑的結構內力進行重新的分配，進而來調整高層建筑的內部應力，防止其發生形變。
1.2高層建筑梁式轉換層的構造特點
在高層建筑的設計過程中，轉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，在我國高層建筑轉換層的設計中，梁式轉換層的應用最多，板式轉換層以及箱型轉換層等的應用次數較低。梁式轉換層由于尺寸較大、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，梁式轉換層在高層建筑設計應用中還有性能穩定、工程造價核算便捷以及經濟效益較高等有利的特點。
1.3高層建筑梁式轉換層受力特點
梁式轉換層在高層建筑應用過程中主要是維持高層建筑內部穩定，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，從而會造成內部荷載在豎向傳遞的過程中出現中斷的問題，進而造成建筑整體剛度發生突變的現象。這種建筑的形式在發生地震時，很容易由于下部結構的稀疏而發生坍塌及變形的事件。因此，在對高層建筑進行轉換層設計時，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生，盡可能地減少相關財產的損失。
2梁式轉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樓層轉換方案
在對這個高層建筑進行樓層結構轉換的時候，所采用的轉換層的結構形式為梁式、板式、箱式等多種形式。由于這些轉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變。其中的梁式轉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換層的方式，其轉換層的高度為2.5m，轉換梁上、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
在高層建筑梁式轉換層中所使用的轉化梁本身是桿件，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的力度，防止豎向剛度的變化而形成薄弱層。據此，轉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轉換梁設計
在高層建筑中，轉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短梁的試驗研究。
2.4.1試驗結果
本試驗中所采用的轉換梁為轉換梁1/5的縮尺模型，其截面尺寸及配筋的形式如圖4所示。通過經過相關試驗可知：該轉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剪跨區的梁腹中部出現，屬于剪斜裂縫，并通過長時間的發展成為臨界斜裂縫。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，因而在斜裂縫出現之前，需要與彎矩圖保持一致性，而在斜裂縫出現之后則與彎矩圖產生明顯的差距，由此就說明了轉換梁內的應力發生了較大程度的變化。此外，在轉化梁的底部縱筋處于受拉狀態中，頂部縱筋的內剪跨內也隨之處于一種受拉狀態。當試驗受到破壞時，內剪跨區段之內，臨界斜裂縫的箍筋會受到一定的拉力，剪壓區內的混凝土壓疏。當穿越斜裂縫的箍筋應力變化為原來的應力的53%時，剪壓區內的混凝土中就沒有壓疏現象。
2.4.2相關構造要求
依據相關的試驗結果，為了保證梁式轉換層中的轉換梁在斜裂縫出現后能夠起到縱筋拉桿的效果，其底部縱筋不能夠在跨內形成彎折或者是截斷的現象，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。由于轉換梁的橫截面尺寸較大，因此需要依據梁高來配置一定數量的水平腹筋。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轉換層抗震設計
在進行轉換層結構設計的時候，由于有轉換層的存在，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、柱截面產生突變，線路發生曲折的現象等等，因此，轉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定性。此外，通過應用梁式轉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換層來保證整個建筑工程設計的穩定性，同時還能夠對相關設計、施工單位的操作進行有效的控制，從而避免產生相關的問題及困難，最終做到優化高層建筑設計，提升整個工程的結構。
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