高層建筑梁式轉換層結構設計探討

劉丹莉

摘 要：在經濟飛速發展的刺激之下，高層建筑不斷拔地而起，轉換層結構隨著底部大空間結構的發展在方法和形式等方面變得越來越多樣化，結構受力也日趨完善。在實現垂直轉換的常用結構形式中，梁式轉換層結構為最常用的結構形式之一。文章明確了梁式結構轉換層受力情況，介紹了高層建筑梁式轉換層的設計方法，分析了其受力原理和計算方法，以及特殊抗震設計。

關鍵詞：高層建筑；梁式轉換層；設計計算；構造

引 言

現代高層建筑結構的發展趨勢之一便是梁式轉換層結構。不論是住宅、寫字樓，還是底部大空間商場，都離不開結構轉換層的設計。轉換層結構形式包括箱形梁轉換結構、梁墻梁式轉換結構、厚板轉換結構、桁架式轉換結構、空腹桁架轉換結構、巨型框架等。由于貴州省貴陽市本地區設防烈度為6度，建筑高度多數均不超過100m，故結構多采用梁式轉換結構設計。

1 梁式轉換層的結構形式和受力特點

1.1 結構形式

梁式轉換層結構是轉換結構中最常用的一種結構轉換形式，傳力途徑為墻——梁——柱（墻），轉換構件受力明確，設計和構造簡單，施工方便等優點，下部大空間靈活，容易滿足建筑功能的要求，同時在轉換梁受力較小部位可以開設合適的洞口，容易滿足建筑功能和設備管道線布置的要求，因此，在近些年的轉換層結構設計中應用最為廣泛。但高層建筑轉換層的設計造成建筑物剛度發生突變，在水平地震荷載作用下，轉換層上下容易形成薄弱環節，又是一種對抗震不利的結構，空間受力就較為復雜，是這種結構形式的弊端。

實際工程中，可以依據轉換梁的受力特點、工作形式以及應用方式等將轉換梁劃分為如圖1中的幾種不同的結構形式。

①上部墻體與轉換梁共同工作；②轉換梁上部墻體開窗洞；③轉換梁上部墻體開門洞；④轉換梁上部墻體不滿跨，墻體不開洞；⑤轉換梁上部墻體不滿跨，墻體開窗洞；⑥轉換梁上部墻體不滿跨，墻體開門洞；⑦轉換梁上托剪力墻小墻肢。

1.2 受力特點

建筑中的上部墻體與轉換梁是連接的，其某種程度上來說是一個整體，因而兩者共同發生彎曲變形。并且由于轉換梁是位于受力邊緣的，因而其在整體的深梁中也是出于受到拉力的邊緣。因而可以得出上部的墻體與轉換梁之間的連接使得兩者共同進行工作。而且由于轉換梁的實質是墻梁，有垂直傳力拱效應，使垂直荷載傳遞到了墻梁，通過負載轉移到框架柱或墻的兩側有很大一部分拱作用，轉換梁的力的最終結果是由兩個因素的影響，因此，不管在轉換梁的上壁是什么結構，只要是有一定長度的壁，該轉換彎曲的效果相對于排除上部墻體因素時期總體的彎矩要小，轉換成相應的一系列墻梁就會出現在受拉區。弄清楚梁式轉換結構傳力途徑以及相應的轉換梁的受力特點才能進行梁式轉換層結構的計算。

轉換梁是梁式轉換結構層的核心構件，根據現有的工程經驗和分析可以得出，主要影響它受力特點的因素是主要包括梁自身的材料、尺寸形式，上部的結構類型、剛度，剪力墻等和梁的剛度比，以及上層、下層結構的類型、相對剛度大小等等。

2 梁式轉換層的設計要點

在進行梁體的設計時，有時候轉換梁的上部結構較大，其占據了大部分的設置，也就是說梁體的上部滿跨設置，這時梁體與墻體之間的聯系就較為緊密，就會導致墻體與梁體之間的共同作用做大化。這樣一來，該墻體的上部結構與轉換梁之間的手里就如同T型結構的倒裝一般，而跨中區域作為軸向拉力的集中點，其就會存在較大的軸向拉力，這樣一來其整體梁的設計就不能夠按照普通的設計方法來進行設計了。應在采用空間分析程序計算的基礎上，用高精度的分析方法對轉換梁受力有影響的范圍內的結構構件及轉換梁進行受力性能分析。梁式轉換層的分析中，計算簡圖可取轉換梁附近端范圍內（轉換梁的凈跨度）的墻體以及結構的下層來作為整體的結構模型來進行分析，從而能夠根據對于模型的分析來得到充足的數據，從而能夠有效的針對其進行設計。

2.1 結構布置

一般在高層建筑結構設計中采用轉換層的結構設計，都是因為處于建筑功能的考慮，建筑底層的樓層空間結構設計均為大開間，而上層的空間結構開間則相對較小；下層的梁柱數量較少，而上層的梁柱相對較多。這種結構設計是不符合常規的建筑結構設計的，若不進行轉換層結構設計，就會使建筑的樓層結構穩定性和受力性能受到很大影響。但是即便設計了結構轉換層，其布置設計不合理，也不會起到良好的轉換作用。一般在轉換層結構的布置設計中需要注意以下幾點布置事項：

（1）平面為長矩形，其平面的橫向的剪力墻數量相對而言較多的時候需要對于剪力墻的數量進行對比，也就是說落地剪力墻與橫向剪力墻之間數量的比值，非抗震設計時不宜少于30%；抗震設計時不宜少于50%，對于一般平面，在非震區γ應盡量接近于1，不應大于3；落地剪力墻和筒體底部墻體應加厚；

（2）轉換層上部結構與下部結構的側向剛度比應符合本規程附錄E的規定；直接落地的豎向構件越少，轉換結構越少，轉換層造成的剛度突變就越小，對結構抗震更有利。

（3）框支層周圍樓板不應錯層布置；

（4）落地剪力墻和筒體的洞口宜布置在墻體的中部；

（5）框支剪力墻轉換梁上一層墻體內不宜設邊門洞，不宜在中柱上方設門洞。

2.2 上、下層側移角比

用來表示上、下層剛度的大小變化的量值稱為轉換層結構上、下層結構的側移角之比。實際應用時，為了保證結構的穩定性，內力直接有效地進行傳遞，就需要將側移角比限定在安全范圍以內，避免突變。

γ=Δui+1hi/Δuihi+1

式中：γ——側移角比；

Δui和Δui+1——分別為第i層和第i+1層的層間側移；

hi和hi+1——分別為第i層及第i+1層層高。

2.3 上、下層剛度比

沿著規則的橫向剛度的垂直結構高層建筑應該是統一的，尤其是在高層建筑在底部轉換層結構，結構布置應盡量避免明顯的剛度突變。為了使上部轉換層附近的轉換層下部結構側向剛度的結構的相鄰側向剛度，特別注意應產生軟弱層控制剛度突變，減少內力傳遞的突變程度最大程度上減少上、下轉換層之間內力傳遞途徑，保證轉換層樓蓋有足夠的剛度以傳遞不同抗側力結構之間的剪力，防止框支柱因樓蓋錯層發生破壞。因為剪力墻結構的底層較為高大，并且一部分的結構被改為了框架支撐，因而在剪力墻的底部其剛度被大幅度的降低了，為了使低層的剛度穩定，避免其發生突變，需要對于裝換層相鄰的結構以及其自身加以控制，使控制轉換層與其相鄰上層結構的等效側剛比應滿足JGJ3-2010附錄E要求。

2.4 轉換層構件的設計要點

（1）剪力墻的設計要點。底部大空間層應有落地剪力墻（或）落地簡體，落地縱橫剪力墻最好成組布置；保證大空間有充分的剛度，防止豎向的剛度過于懸殊；加強轉換層的剛度與承載力，保證轉換層可以將上層剪力可靠地傳遞到落地墻上去；落地剪力墻，盡量不要開洞，或開小洞，以免剛度削弱太大。洞口宜布置在剪力墻的中部。

（2）轉換梁的設計要點。轉換梁設計時為了防止梁脆性破壞，箍筋配置得當，要根據梁的剪壓比來確定合理的截面尺寸。當對梁進行開設洞口時，要對洞口部位進行加強處理，可以增加箍筋的配置或者設置其他加強構件。框支梁的寬度不小于上部剪力墻厚度的2倍；轉換梁上下縱筋配筋率、箍筋的加密及面積配箍率、偏心受拉轉換梁縱筋的設置、剪壓比等，“高規”中均有強制性規定。

3 轉換層結構的抗震設計

轉換層結構如果豎向剛度不足，就易在轉換層附近發生突變，還要關注垂直橫向力分量是不連續的，因此動力傳輸結構（包括垂直和水平力）通路的突變發生在轉換層及其附近，在強烈的地震中，容易產生薄弱部位，因此，在抗震設計時，除控制剛度比轉換層下，還應采取措施加強結構構件，包括附近的郵筒，箱形梁，地板墻壁，下層轉換層和其他組件，以確保在地震時底部有效地提供和水平剪力結構，要想使高大的建筑物有足夠的延性抗震設計，轉換層應注意以下幾個方面：

（1）在進行抗震設計時，高轉換受力結構是非常不利的。通過相應的計算分析表明，在發生地震時，在地震力的作用下，由彎矩分布曲線科研明顯的看出傾覆顯示轉折點在轉換層處，下層轉換是以剪切墻為主的框架-剪力墻結構，剪力墻傾覆的轉換時刻分配下一層遞增相對于支撐框架的傾覆力矩要少得多。

（2）在轉換層的地方，有很多的剪切力從框支剪力墻上已樓板作為傳遞通道傳遞到落地的剪力墻上，這同樣是傾覆力矩曲線出現轉折的原因。當處于更高的轉換層位置時，剪切力分布和傳播途徑也發生急劇突變更容易產生裂紋剪力墻，支撐框架剪力墻在墻上轉換層收到的內力是接巨大的，使得墻體容易被破壞，位于墻體結構下部的支撐框架轉換層更容易就范，這樣一來就容易造成一些薄弱層。

（3）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，框支主梁除承受上部剪力墻這樣用外，還需承受梁梁傳給的剪力、扭矩和彎矩，框支主梁易受剪破壞，故規范規定框支剪力墻對受力復雜部位應進行應力分析，并按應力校核配筋，加強配筋構造措施。

（4）大空間剪力墻結構的底部。由于剪力墻的地層結構相對而言較為高大且面積也較大，在加上剪力墻結構由原本的不落地結構不斷的變為框架的結構，其底部的剛度被顯著降低，為了最大程度上避免底層剛度突變，應控制相鄰的上側結構的等效剛度比轉換層。

（5）加強底部框支層及轉換層樓板的剛度和延性，故框支柱軸壓比要嚴格控制；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。

4 結 語

當然，在高層建筑的轉換層結構設計中，所需要注意的設計要點問題絕非僅有本文上述的幾點。在實際的建筑設計中，還必須要結合實際情況和當地的地震烈度進行合理設計，確保高層建筑在滿足基本的建筑設計要求和抗震性能的前提下，實現最佳的經濟效益和功能作用。

參考文獻

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