预应力混凝土梁式转换层与桁架转换层结构设计研究
摘要：高层建筑中采用预应力技术可带来许多结构和施工上的优点，如减小截面尺寸、控制裂缝和挠度，控制施工阶段的裂缝及减轻支撑负担等。本文对预应力混凝土梁式转换层与桁架转换层结构设计进行了研究。
关键词：高层建筑；转换层；结构设计
近年来我国高层建筑发展迅速，现代高层建筑越建越高、越建越大，其建筑向着体型复杂、功能多样的综合性方向发展，目的在于为人们提供良好的生活环境和工作条件。在同一座建筑中，沿房屋高度方向建筑功能要发生变化，这种不同用途的楼层需要采用不同形式的结构。高层建筑转换层结构中采用预应力技术的情况越来越多。预应力混凝土结构非常适合于建造承受大荷载、大跨度的转换层，且有自重轻，节省钢材和混凝土的优点。
1 预应力混凝土梁式转换层
1、预应力混凝土转换梁
预应力混凝土转换梁可分为托墙和托柱两种形式。托柱形式的转换梁内力计算可直接采用杆系有限元法，截面设计与一般框架梁相同。托墙形式的转换梁需进行局部应力分析，配筋按偏心受拉构件计算，并辅以应力配筋法。转换梁的截面尺寸常常由抗剪承载力控制的，施加预应力能够提高其抗剪承载力，但截面尺寸减小的幅度要比普通框架梁要小。预应力混凝土转换梁的设计步骤可归纳为：(1)选择截面形式和截面尺寸；(2)采用现有结构分析软件计算各截面在各种工作情况下的内力；(3)预应力钢筋数量的估算及其形状的确定；预应力钢筋数量的估算可利用荷载平衡法来设计，即选择需要被预应力钢筋产生的等效荷载“平衡”掉的荷载。一般地说，当活荷载较小时，平衡荷载宜选“全部或部分恒载”；当活荷载较大时，宜选“全部恒载十部分活载”。(4)计算预应力损失，校正初始假定值，得到预应力钢筋的有效预应力；(5)计算等效荷载，利用计算机程序计算各截面次内力；(6)验算各控制截面的极限承载力，确定非预应力钢筋的数量；(7)使用阶段抗裂、变形验算；(8)局部受压承载力验算。
2、预应力钢骨混凝土转换梁
钢骨混凝土转换梁是在钢筋混凝土梁中埋置型钢或焊接工字钢，形成一体，共同发挥作用的组合梁。对钢骨混凝土转换梁施加预应力具有下列优点：（1）避免非结构裂缝的出现与钢筋混凝土转换梁相比，由于钢板表面光滑，与混凝土之间的粘结力不足，发生在钢骨拉压部分的混凝土横向裂缝宽度一般比钢筋混凝土梁表面裂缝大，施加预应力可有效地控制横向裂缝。(2)增加长期使用的耐久性钢骨混凝土梁中的混凝土外包钢骨使其免受环境的侵蚀，施加预应力可有效地限制裂缝的出现或控制裂缝的开展，对钢骨混凝土梁的耐久性是有益的。(3)改善转换梁的受力性能施加预应力产生的轴向压力可提高转换梁的受剪承载力。预应力钢筋取代相当数量的非预应力筋，避免非预应力钢筋过多造成的混凝土与钢骨之间粘结力的下降。(4)钢骨混凝土梁有利于结构抗震用钢骨混凝土梁替代一般钢筋混凝土梁，可减小截面高度，改善造成短柱的情况，使柱子的延性有所提高。钢骨混凝土梁的钢骨部分，在承载力极限状态下，由于钢有较强的塑性性能(不包括型材薄壁情况)，进入塑性阶段仍具有较高的承载能力，因此具有一定的延性，起到耗能效果，提高抗震性能，避免脆性破坏，这是一般钢筋混凝土梁难以比拟的。钢骨部分腹板能吸收较大的剪力，从而减轻混凝土部分的负担，提高钢骨混凝土梁的抗剪承载力。梁混凝土的完整性，在支座处也增加了对柱子节点区域的约束作用，提高了节点延性。因此钢骨混凝土梁有利于结构的抗震。
3、预应力混凝土曲线转换梁
众所周知，曲线梁与直线梁是不同的，简支直梁在非偏心的竖向荷载作用下，扭矩引起的变形和内力均为零；同样，在扭矩荷载的作用下，涉及弯矩因素的变形和内力均为零。在竖向荷载作用下，曲线梁中的扭矩是不可以忽略的。转换曲梁与曲线梁桥也有很大的不同。曲线梁桥按结构体系分类一般有静定悬臂梁、简支超静定曲线梁、连续曲线梁桥等等，其超静定结构中的支承一般采用抗扭简支支座，而转换梁一般采用普通的梁柱连接方式。曲线梁桥很宽，而转换梁的宽度一般要受到柱宽度的限制。另外，曲线梁桥的荷载形式与转换梁也不相同，对托柱形式的转换曲梁上作用相当大的集中荷载。
综上所述，曲线转换梁与直线转换梁受力特征是不同的。在曲线转换梁中施加预应力对抗弯和抗剪、抗扭都有利。对受弯构件，施加预应力可在裂缝及挠度得到有效控制的前提下显著地降低梁高。对曲线梁的抗扭，施加预应力具有特殊的优势，可以利用其抵抗部分甚至全部外扭矩。
2 预应力混凝土桁架转换层
采用桁架替代转换梁来承托上部结构传来的巨大竖向荷载不仅使充分利用该转换层的建筑空间成为可能，同时也使结构设计更为合理。它可以避免将较大的内力集中于一根大梁上，也可避免大梁造成的“强柱弱梁”的后果，对提高结构的抗震性能有利。但当转换桁架的跨度或承担的竖向荷载较大时，势必会造成下弦杆的轴向拉力进一步增大，采用普通钢筋混凝土不能满足转换结构抗裂要求时，一般可以考虑在桁架下弦杆施加预应力，形成预应力混凝土桁架。
在转换桁架中采用预应力技术概念类似于屋架受拉的下弦杆中施加预应力。由于转换桁架的上、下弦杆与刚度极大的楼面整浇，使桁架斜腹杆传递下来的水平推力由楼面分配到建筑物的各抗侧力构件上，这些“附加力”的影响范围主要是集中在角区，如果能随着建筑物不断增加的施工荷载，在力N的形成、增大过程中，同步张拉配置于桁架下弦的预应力筋，在该处提供一对与推力N大小相等方向相反的力，就可以在角区就地完成力的平衡，中断或减小通过楼面向外传递的荷载。
在受拉的腹杆中也可施加预应力，若能在受拉腹杆中形成折线形预应力钢筋布置则更为合理。为减小桁架在施工张拉阶段与使用阶段之间受力状态的差异，解决超静定结构受力状态变化且内力变幅过大时，构件间变形难以协调，以致开裂的问题，预应力桁架转换层结构宜采用择期张拉工艺施工。择期张拉技术是指分期分批施加预应力或选取经计算合适的施工楼层进行张拉，在此之前转换桁架下的支撑必须加强。采用“择期张拉”法张拉施工时，为避免因转换桁架下弦长度大，预应力筋长时波纹管破损而导致漏浆和孔道堵塞的现象，预应力筋可在下弦混凝土浇筑前就穿入金属波纹管中，但此时必须采取有效的措施保护孔道内预应力钢筋在施工期间不生锈。
转换桁架下弦杆的预应力度的取值不宜过高，以避免因张拉预应力给桁架及上、下层框架带来较大的次内力。考虑到桁架转换层是整个结构受力的关键部位，对裂缝的控制要求较高，而且转换桁架恒载的比重较大。混凝土强度等级对预应力桁架转换层来说是至关重要的，因为斜腹杆是受压构件和下弦施加预应力，建议预应力桁架转换层的混凝土强度等级不应低于C40。由于预应力桁架转换层结构在桁架节点区(特别是预应力锚固区)钢筋稠密，混凝土应充分捣实，以防止锚固区混凝土局部破坏和节点发生破坏。施工时应对典型节点钢筋按图试绑，以防节点处钢筋“打架”，然后成批下料，全面施工。为防止预应力高强混凝土转换桁架下弦端部受压区混凝土由于预应力而出现沿构件长度方向裂缝，其局部受压承载力应按高强混凝土结构技术规程中的有关规定进行计算。
参考文献
[1]赵玉仙.高层建筑转换层结构体系的探讨[J].福建建设科技.1998(01)
[2]成林星,韩小雷.转换结构的主次梁应力分析[J].广东土木与建筑.2007(11)