高層建筑梁、板式轉換層結構設計方法研究

吳海波

（內蒙古華地方圓設計研究有限責任公司，內蒙古 赤峰 024000）

前言

本文對高層建筑轉換層結構受力特點進行了介紹，對高層建筑梁、板式轉換層設計原則進行了闡述，通過分析，并結合自身實踐經驗和相關理論知識，對高層建筑梁、板式轉換層結構設計要點進行探討。

1 高層建筑梁、板式轉換層的結構受力點

通常含有轉換結構的高層建筑的底部會設計大空間剪力墻，其中部分剪力墻為在底落地形式，也有的在底部為框的結構形式，而此種結構的受力點如下。

1.1 上部、下部剪力墻的受力關系

高層建筑中，以轉換層為界層的底部大空間剪力墻結構，其上半部分的所有剪力墻的變形曲線幾乎都一樣，幾乎是由水平外力產生的樓層剪力，再按各片剪力墻的等效剛度進行比例分配；而其下半部分因框支剪力墻的側向剛度迅速減小，從而引起底層框架承擔的水平力同樣急速變小，相反使落地剪力墻的底層承擔水平力得以急速增長。

1.2 高層建筑底層水平力的分配關系

高層建筑其底層的水平力的分配關系是通過轉換層樓板的剛度對內力的傳遞作用而實現剪力的迅速改變。轉換層樓板在水平力的作用下順利的使上下樓層的剪力實現重新分配，但轉換層樓板本身同樣會在平面內承受一個相當大的力，這個力使樓板產生較為明顯的平面內變形，從而影響了關于樓板平面剛度無限大的基本假定。

1.3 底層框支柱和落地剪力墻的受力轉換

當底層框支柱和落地剪力墻按等效剛度來分配水平力時，由于框支柱的側向剛度通常不到剪力墻側向剛度的1%，所以在進行水平力分擔時，框支柱所能分擔的水平力是極其有限的，甚至可以忽略不計。但是如果當轉換層樓板發生變形時，處在框支柱區域內的底層的水平位移將會達到最大，從而使框支柱實際受到的剪力要比理論分析所得到的剪力大得多。由于轉換層上下附近的受力狀況相對是比較復雜的，同時又鑒于以上底層框支柱和落地剪力墻的受力特點分析，需要在工程設計時對落地剪力墻和框支柱留有一定的安全儲備。

2 高層建筑梁、板式轉換層設計原則

2.1 轉換層的結構平面布局原則

在建筑工程的底部大多采用體型規則并且簡單的剪力墻結構作為框架，而工程上部則采用純剪力墻結構。在剪力墻平面布置上，南北向剛度中心與質量中心的結構偏差不超過2m，東西則要完全對稱，這樣才能保證結構偏心率做到最小。除核心筒外，其余剪力墻布置需要盡量沿周邊進行布置，做到分散切均勻，這樣能更好的增強建筑物的抗扭性。從研究得出，當轉換層處于較高的位置，落地剪力墻和簡體會產生一定數量的受彎裂縫，直接導致框支柱的內力增大，最終破壞轉換層上部附近的墻體。同時當底部轉換層位置越高，轉換層上下剛度突變會越大，同時加上內力的傳遞，這種突變會越加劇。從而我們得出，一旦轉換層位置越高，建筑物的抗震效果是不夠理想的。

2.2 轉換層的豎向布置原則

高層建筑轉換結構的布置原則主要是根據建筑功能和結構傳力的需要來進行安排的，不同的建筑風格可以進行靈活布置，同時也可以更加建筑的功能性需求，在樓層局部來布置轉換層，保證轉換層有足夠的剛度，盡量縮小豎向剛度的差距，這樣做的優勢是既可以作為正常樓層來使用，還可以作為技術設備層。結合商住建筑的工程實踐經驗，通常對于大底盤多塔樓的建筑，需要對屋面梁的尺寸和厚度進行加大，同時塔樓的轉換層設在裙房的屋面層，能有效的增強樓層的剛度，達到減小震害的目的。對部分框支剪力墻高層建筑結構，其轉換層的位置，7度區不宜超過第5層，8度區不宜超過第3層。

2.3 轉換層的抗震設計要求

轉換層的抗震設計要求，放在首位的即為安全性能。根據安全規定，框支剪力墻結構轉換層的位置大部分都設置在3層之上，同時對框支柱、剪力墻底部需要按照高級規定來加強各部位的抗震等級，提高建筑的抗震構造的安全性。在進行8度抗震設計的考慮時，應結合豎向地震作用的相關影響，對轉換層的轉換構件水平地震作用的內力計算需做增大處理。而對于底部帶轉換層的框架，其外圍為密柱框架的簡中簡結構的抗震等級則不需要提高。

3 高層建筑梁、板式轉換層結構設計要點

3.1 梁、板式轉換層結構設計的原則

3.1.1 避免多次轉換，實現直接傳力

在對高層建筑梁、板轉換層上下主體豎向結構進行設計時，最重要的是盡量減少或避免水平梁與轉換次粱之間在水平方向的多次、多級轉換，盡量實現傳力路徑最短化。比如，我們可以通過水平轉換結構來進行直接傳力，使不落地的剪力墻通過轉換托梁直接傳給豎向承重構件，以實現結構的合理布置。

3.1.2 弱化上部、確保底部

高層建筑的轉換層在空間設計要求上要達到一個合適的剛度、強度，以強化轉換層底部主體結構的剛度，同時弱化了其上部結構，從而使轉換層上下部主體結構的剛度更好的接近變形特征，達到規避薄弱層的目的，進而提高建筑物的延性和抗震力。

3.1.3 精確計算轉換層結構

轉換結構作為建筑物整體結構的重要組成部分，需要對轉換層進行精確計算。尤其是對建筑的三維整體空間結構要進行全面的、準確的、實時的受力變形計算。一般采用的方式是有限元方法，運用這種計算需要取2層結構（選擇轉換結構以上位置）進入局部計算模型，還要對轉換層及所有樓層樓蓋平面內的剛度進行測算，以及轉換層實際結構三維空間的實際邊界進行正確計算。

3.2 轉換層結構的構件設計

轉換層結構由于豎向結構的剛度易突變，從而導致了豎向抗側力構件產生不連續且容易使水平力在途徑的轉換層發生突變，尤其是遇到強震，在強震作用下，轉換層結構更容易產生薄弱部位。因此在轉換層結構構件的抗震設計中，需要對轉換層上下剛度比進行嚴格控制，同時還要采取相應的措施，對轉換層及附近層結構構件包括轉換柱、轉換梁、落地墻、轉換層上下各兩層樓板等構件進行強化加固，以保證水平剪力能實現有效的傳遞，確保結構底層在強震下有足夠的延性。

3.3 轉換層分析計算

我們在轉換層分析計算時，要分析結合樓層平面內剛度的影響，要采用符合現狀的正確計算模型（切切不能忽略轉換結構的上下樓層的局部計算模型的計算）。最后，要采用有限元計算軟件對轉換層本身進行局部應力的補充計算。通常，框支剪力墻的計算需要考慮的因素很多，由于上部剪力墻與多根柱是相連接的，因此相對是比較復雜的，處理不當就會產生較大的計算誤差。針對底部框支剪力墻，值得注意的是，在計算時需要以柱單元來進行考慮，同時需要把上部剪力墻肢與下部轉換柱全部設為轉換梁。

3.4 轉換梁的截面設計方法

如果，我們所選擇的設計方法為托柱形式轉換梁的截面設計，那就需要按普通梁截面設計方法來進行配筋計算（一般要控制在轉換梁承托上部普通框架常用截面的尺寸范圍內）。一般來說，轉換梁的截面設計方法首先應對轉換梁作出有限元分析，以此獲得相關的應力分布規律及相關數據，然后針對分布規律及相關數據計算出截面配筋，與此同時，在忽略混凝土的抗拉作用的前提下，直接應用轉換梁有限元法分析方法對應力大小做出計算，對由鋼筋承擔的受壓區，當然，混凝土的強度必需達到軸心抗壓強度設計值。

3.5 托墻形式轉換梁截面設計

如果所選擇的設計方法為轉換梁承托上部斜桿框架，這時轉換梁會受到一種軸向拉力，我們在設計時應考慮到偏心受拉構件，并以此進行截面設計。更具體地說，當轉換梁承托上部墻體滿跨不開洞時，轉換梁和上部墻體會同一時間受力且同一時間作用，而這種同時受力同時作用的形態通常呈現一種深梁形式，此時轉換梁截面設計方法比較適宜采用應力截面設計或深梁截面設計，以此得出縱向鋼筋應沿全梁高合理分布配置。而采用應力截面設計時，轉換梁跨中會受到一個大范圍的內力，而此內力至使其底部的縱向鋼筋不易彎起或截斷，需要全部進入支座中。假如轉換梁承托上部墻體為小墻肢設計時，轉換梁的配筋計算可以按普通截面設計方法進行，同時縱向鋼筋也可按普通梁集中布置在轉換梁的底部。

4 結語

綜上所述，高層建筑梁、板式轉換層結構設計需要考慮到的細節是多方面的，需要建筑結構中的每個環節進行配合，因此是一個非常龐大且復雜的工程。建筑梁、板式轉換層的設計也對建筑工程師提出了較高的要求，需要工程師在設計時從建筑全局來進行把控，切不可顧此失彼。

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