對高層建筑梁式轉換層結構設計的研究

摘要：隨著我國經濟的持續快速發展，人們對高層建筑的功能要求趨向于多樣化、綜合化和全面化。從建筑功能上看，高層建筑上部需要較多的墻體來分隔空間以滿足住宅戶型的需要；而下部則希望有較大的自由靈活空間，大柱網、少墻體，以滿足公共使用的要求。

關鍵詞：高層建筑；梁式轉換層；結構設計

在高層建筑設計中，為滿足建筑使用功能需要，底部數層常設置為大空間，而上部標準層多為小開間，致使上層的部分豎向承重結構不能直接落地，需要進行結構轉換。轉換構件包括：梁、桁架、空腹桁架、箱型結構、斜撐、厚板等。結構轉換層常見的有梁式轉換和板式轉換兩種類型。梁式轉換結構，受力比較直接明確，是目前得到廣泛應用的轉換結構形式。板式轉換結構，受力、傳力途徑比較復雜，不夠明確；一般只有在上下部結構明顯不協調，無法采用梁式轉換結構時才采用。

一、轉換層概述

按結構功能，轉換層可分為三類：

1、上層和下層結構類型轉換。多用于剪力墻結構和框架-剪力墻結構，它將上部剪力墻轉換為下部的框架，以創造一個較大的內部自由空間。

2、上、下層的柱網、軸線改變。轉換層上、下的結構形式沒有改變，但是通過轉換層使下層柱的柱距擴大，形成大柱網，并常用于外框筒的下層，形成較大的入口。

3、同時轉換結構形式和結構軸線布置。即上部樓層剪力墻結構通過轉換層改變為框架的同時，柱網軸線與上部樓層的軸線錯開，形成上下結構不對齊的布置。

二、高層建筑梁式轉換層結構的設計

（一）轉換梁的截面設計方法

轉換梁截面設計方法的選擇與其受力性能和轉換層的形式相關。①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，轉換梁的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。當轉換粱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。②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。

（二）轉換層結構的構件設計

轉換層結構不僅豎向剛度易在轉換層附近發生突變，還應關注的是豎向抗側力構件不連續，使結構的傳力（包括豎向及水平力）途徑在轉換層及其附近發生突變，在強震作用下，易產生薄弱部位。因此在抗震設計中，除了控制轉換層上下剛度比外，還應采用措施，加強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，以保證水平剪力的有效傳遞和結構底層在強震下有足夠的延性。

（三）轉換層分析計算

整體計算完畢后對轉換層本身應采用平面有限元計算軟件做局部應力的補充計算。進行局部分析時，應考慮轉換結構上下樓層是否進入局部計算模型，以及樓層樓蓋平面內剛度影響，注意實際結構的三維空間盒子效應，采用符合實際情況的正確計算模型。框支剪力墻的計算較為復雜，上部剪力墻需與下面多根柱相連接，如果連接不當會產生很大的計算誤差。空間分析程序是以梁柱為基本單元，而分析底部框支剪力墻時，剪力墻作為柱單元考慮。計算時宜在上部剪力墻肢與下部轉換柱之間均設轉換梁，墻肢與轉換梁相連接。

（四）轉換大梁的設計

梁式轉換層的設計構造要求：①轉換層樓板要將上層結構的水平剪力傳遞到下層抗剪結構上去，本身承受很大的平面內剪力，同時又承受部分豎向荷載。因此要求樓板要有足夠的強度和剛度。②轉換層大梁是承托上部剪力墻或柱傳下來豎向荷載的重要構件.本身受力很大，它是整個結構抗震安全的關鍵部位。因此，轉換大梁的設計在整個轉換層結構的設計中至關重要。

（五）框支梁的設計

轉換梁

截面尺寸一般由剪壓比控制，寬度要大于其上墻厚的2倍，且大于400mm；轉換梁的高度不小于計算跨度的1/8。工程轉換梁寬統一定為800mm。轉換梁受力巨大且受力情況復雜，它不但是上下層荷載的傳輸樞紐，也是保證框支剪力墻抗震性能的關鍵部位，是一個復雜而重要的受力構件，因而在設計時應留有較多的安全儲備，二級抗震等級的轉換梁縱筋配筋率大于0.4%。轉換梁在滿足計算要求下，配筋率大于0.8%。轉換梁一般為偏心受拉構件，梁中有軸力存在，因而應配置足夠數量的腰筋。2 離柱邊1.5倍梁截面高度范圍內的梁箍筋應加密，加密區箍筋直徑不應小于10mm，間距不應大于100mm。加密區箍筋的最小面積配筋率，非抗震設計時不應小于0.9ft/fyv；抗震設計時，特一、一、二級分別不應小于1.3 ft/fyv、1.2 ft/fyv和1.1 ft/fyv。

（六）轉換層的抗震設計

帶轉換層的高層建筑結構中，由于設置了轉換層，沿建筑物高度方向剛度的均勻性受到很大的破壞，轉換層結構豎向承載力構件不連續和墻、柱截面的突變，導致傳力路線曲折等，因此轉換結構的抗震性能較差。為保證設計的安全性，規定“部分框支剪力墻結構轉換層的位置設置在3層及3層以上時，其框支柱、剪力墻底部加強部位的抗震等級宜按《高規》的規定提高一級采用，己經為特一級時不再提高”，提高相關構件的抗震構造措施，而對于底部帶轉換層的框架，核心筒結構和外圍為密柱框架的筒中筒結構的抗震等級不必提高。對轉換層的轉換構件水平地震作用的計算內力需調整增大。在8度抗震設計時，還應考慮豎向地震作用的影響。

（七）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比較大，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。

（八）樓板

由于結構上部的水平剪力要通過轉換層傳到下部結構，轉換層樓面在其平面內受力很大，樓板變形顯著，因此要適當加厚轉換層樓面，建議采用厚度不小于180mm的現澆板，這樣有利于轉換層在其平面內進行剪力重分配，并加強轉換大梁的側向剛度和抗扭能力，也可使實際情況更符合結構整體計算中樓層剛度無限大的基本假定。而且混凝土強度不小于C30，并采用雙向雙排鋼筋網，每排鋼筋的配筋率不小于0.25%，轉換層樓板不宜有大的開洞，當開洞時應在洞口四周設置次梁或者暗梁，樓板開洞位置盡可能遠離外側邊，與轉換層相近的樓板也應加強。若必須在大空間部分設置樓、電梯間時，應用鋼筋混凝土墻圍成筒體。

三、結語

綜上所述，根據建筑平面及功能要求合理選擇轉換層形式，正確選擇建筑抗震類別是轉換層設計的關鍵點，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，在帶有梁式轉換層的高層建筑設計中，轉換層設計是結構設計的一個難點，更是不同形式結構體系轉換的關鍵點，設計時應不斷研究和進行方案比較，在可能的情況下做出較優的技術方案才能實現安全、適用、經濟等綜合目標。

參考文獻：

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