高層建筑梁式轉換層設計探討

蘇偉成

（廣州市魯班建筑有限公司，廣東 廣州 510000）

目前為了滿足人們越來越高的建筑需求，使得轉換層結構得到了廣泛應用，其中最為普遍的當屬梁式轉換結構，由于在轉換結構中存在豎向受力轉換，所以結構的受力相對復雜，尤其是在施工階段的影響方面，很多計算中都未考慮施工過程或考慮得較為簡單，從而造成設計未能反應施工的真實情況。

1 梁式轉換層結構形式

高層建筑結構下部受力比上部大，按常理來說，在高層建筑結構的設計中要考慮下部結構的剛度要大于上部結構的剛度，采取的措施就是下部增加墻體、增加柱網，而上部逐漸減少墻柱的密度。顯然，這在高層建筑設計中是不現實的，因為高層建筑的使用功能對空間要求卻是下部大空間，往上部逐漸減小，因此對高層建筑結構的設計就要考慮反常規設計方法。在《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3－2002）中，規范對轉換梁的最小高度和寬度作了如下規定：框支梁截面寬度不宜大于框支柱相應方向的截面寬度，不宜小于其上墻體截面厚度的2倍，且不易小于400 mm；當梁上托柱時，尚不應小于梁寬方向的柱截面寬度。梁截面高度，抗震設計時不應小于計算跨度的1/6，非抗震設計時不應小于計算跨度的1/8。從該設計規程中可知，采取這些限制的措施主要是為了保證轉換梁結構的整體剛度，增強結構的可靠性。

1.1 梁式轉換層結構形式

實際工程中應用的梁式轉換層結構有多種形式，主要原理就是利用下部的轉換大梁來支托上部結構。

1.2 梁式轉換結構受力機理分析

梁式轉換層結構的傳力途徑為墻—梁—柱（墻）的形式，傳力直接，便于分析計算。轉換大梁的受力主要受上部剪力墻剛度、剪力墻與轉換大梁的相對剛度和轉換大梁與下部支撐結構的相對剛度影響。為了弄清轉換梁結構與上部墻體共同工作的性能，對轉換梁承托層數對其內力的影響采用有限元程序進行分析，從分析結果中我們知道，對一般結構轉換大梁，上部墻體考慮3層與考慮4層、5層內力的設計控制，內力差異不大于5%，故在分析計算時可考慮計算3層。

2 梁式轉換層的結構設計

2.1 結構豎向布置

高層建筑的側向剛度宜下大上小，且應避免剛度突變。然而帶轉換層的高層建筑結構顯然有悖于此，因此文獻對轉換層結構的側向剛度作了專門規定。對該工程而言，屬于“高位轉換”。轉換層上下等效側向剛度比宜接近于 1，不應大于 1.3。在設計過程中，應把握原則，就是要強化下部，弱化上部。可以采用的方法有以下幾種：

（1）與建筑專業協商，使盡可能多的剪力墻落地，必要時甚至可在底部增設部分剪力墻（不伸至上層）。除核心筒部分剪力墻在底部必須設置外，與建筑專業協商后，讓兩側各有一片剪力墻落地。這些無疑都大大增強了底部剛度。

（2）加大底部剪力墻厚度。轉換層以下剪力墻中，核心筒部分的厚度取600 mm，其余部分的厚度取400 mm。

（3）底部剪力墻盡量不開洞或開小洞，以免剛度削弱太大。

（4）提高底部柱、墻混凝土強度等級，采用C50混凝土。

（5）適當減少轉換層上部剪力墻數目，控制剪力墻厚度，并在某些較長剪力墻中部開結構洞，以弱化上部剛度。弱化上部剛度不僅對控制剛度比有利，還可減輕建筑物重量，減小框支梁承受的荷載；增大結構自振周期，減小地震作用力。工程綜合采用上述幾種方法后，轉換層上下剛度比在 X方向為0.725，在Y方向為0.813，滿足規范要求，效果良好。

2.2 結構平面布局

工程底部為框架—剪力墻結構，體型簡單、規則；上部為純剪力墻結構。在剪力墻平面布置上，東西向完全對稱，南北向質量中心與剛度中心偏差不超過2 m，結構偏心率較小。除核心筒外，其余剪力墻布置分散、均勻；且盡量沿周邊布置，以增強抗扭效果。查閱計算結果，扭轉為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比為 0.85，各層最大水平位移與層間位移比值不大于1.3，均滿足平面布置及控制扭轉的要求。可見工程平面布局規則合理，抗扭效果良好。

3 梁式轉換層結構的設計與構造

由框支主梁承托轉換次梁及次梁上的剪力墻，其傳力途徑多次轉換，受力復雜。框支主梁除承受其上部剪力墻的作用外，還要承受次梁傳給的剪力、扭矩和彎矩，框支主梁易受剪切破壞。對于有抗震設防要求的建筑，為了改善結構的受力性能，提高其抗震能力，在進行結構平面布置時，可以將一部分剪力墻落地，并貫通至基礎，形成落地剪力墻與框支墻協同工作的受力體系。

3.1 轉換梁的設計與構造要求

轉換梁的截面尺寸一般宜由剪壓比計算確定，以避免脆性破壞和具有合適的含箍率。轉換梁不宜開洞，若需要開洞，洞口宜位于梁中和軸附近。洞口上、下弦桿必須采取加強措施，箍筋要加密，以增強其抗剪能力。上、下弦桿箍筋計算時宜將剪力設計值乘以放大系數1.2。當洞口內力較大時，可采用型鋼構件來加強。

轉換梁的混凝土強度等級不應低于 C30。轉換梁上、下主筋的最小配筋率非抗震設計時為0.3%，轉換梁中主筋不宜有接頭，轉換梁上部主筋至少應有50%沿梁全長貫通，下部主筋應全部貫通伸入柱內。

3.2 框支柱的設計與構造要求

框支柱截面尺寸一般系由其軸壓比計算確定。地震作用下框支柱內力需調整。抗震設計時，框支柱的柱頂彎矩應乘以放大系數，并按放大后的彎矩設計值進行配筋；剪力調整—框支柱承受的地震剪力標準值應按下列規定采用：框支柱的數目不多于10根時，當框支層為1～2層時，每層每根柱承受的剪力應至少取基底剪力的2%；當框支層為3層及3層以上時，各層每根柱所受的剪力應至少取基底剪力的3%；框支柱的數目多于10根時，當框支層為 1～2層時，每層每根柱承受的剪力之和應取基底剪力的20%；當框支層為3層及3層以上時，每層框支柱承受剪力之和應取基底剪力的30%；框支柱剪力調整后，應相應調整框支柱的彎矩及柱端梁的剪力、彎矩，框支柱軸力可不調整。

框支柱全部縱向鋼筋配筋率，抗震等級一級時不小于1.2%，二級時不小于 1.0%，三級時不小于 0.9%，四級及非抗震設計時不小于0.8%。縱向鋼筋間距抗震設計時不大于200 mm，且不小于80 mm，全部縱向鋼筋配筋率不宜大于4%。

3.3 轉換梁的截面設計方法

目前國內結構設計工作普遍采用的轉換梁截面設計方法，主要有應力截面設計方法。對轉換梁進行有限元分析得到的結果是應力及其分布規律，為能直接應用轉換梁有限元法分析后的應力大小及其分布規律進行截面的配筋計算，假定不考慮混凝土的抗拉作用，所有拉力由鋼筋承擔，鋼筋達到其屈服強度設計值。受壓區混凝土的強度達到軸心抗壓強度設計值。

3.4 轉換梁截面設計方法的選擇

托柱形式轉換梁截面設計，當轉換梁承托上部普通框架時，在轉換梁常用截面尺寸范圍內，轉換梁受力基本和普通梁相同，可按普通梁截面設計方法進行配筋計算。當轉換梁承托上部斜桿框架時，轉換梁將承受軸向拉力，此時應按偏心受拉構件進行截面設計。

3.5 托墻形式轉換梁截面設計

當轉換梁承托上部墻體滿跨不開洞時，轉換梁與上部墻體共同工作，其受力特征與破壞形態表現為深梁，此時轉換梁截面設計方法宜采用深梁截面設計方法或應力截面設計方法，且計算出的縱向鋼筋應沿全梁高適當分布配置。由于此時轉換梁跨中較大范圍內的內力較大，故底部縱向鋼筋不宜截斷和彎起，應全部伸入支座。當轉換梁承托上部墻體為小墻肢時，轉換梁基本上可按普通梁的截面設計方法進行配筋計算，縱向鋼筋可按普通梁集中布置在轉換梁的底部。

4 結束語

總之，梁式轉換層結構是目前高層建筑中實現垂直轉換最常用的結構形式，其正確選擇建筑抗震類別、結合結構布置、正確選擇各分部的抗震等級、構件設計應注重抗震延性設計的概念、對主要構件進行加強是設計的重點。