帶梁式轉換層的高層建筑結構設計淺談

鄧宇文

（江西省建筑設計研究總院 江西 南昌 330000）

帶梁式轉換層的高層建筑結構設計淺談

鄧宇文

（江西省建筑設計研究總院 江西 南昌 330000）

在高層建筑結構的底部，當上部樓層部分豎向構件不能貫通落地時，應設置轉換層，在轉換層布置轉換結構構件，這類結構稱為帶轉換層的高層建筑結構。近年來，帶轉換層的高層建筑結構越來越多，而其中帶梁式轉換層的高層建筑結構應用最為廣泛。本文針對這種轉換結構類型，從其受力、變形特點的基礎上，探討了一些設計概念和原則。

梁式轉換層；框支剪力墻；軟弱層；薄弱層；高位轉換

在高層建筑結構的設計過程中，經常會碰到這樣的情況。一棟住宅樓在標準層是規規矩矩的小開間布局，在底部一層或若干層由于建筑功能的變化，如常常需要用作商場或公共活動場所，抑或業主要求底層有一個通透的大空間。由于這些因素，底部若干層常常要求布置成大開間。

這對于結構專業來說，往往會造成上部樓層的豎向構件在底部幾層不能落地。故而在要布置成大空間的樓層的上一層設置轉換構件，以將不能落地的豎向構件通過轉換構件將其豎向荷載傳遞到落地豎向構件中。同時通過二者間的樓蓋傳遞未落地豎向構件的水平荷載至落地豎向構件中。由于傳力路徑被彎折，豎向抗側構件不連續，增加了結構的復雜程度，對結構的抗震性能也有很大影響。

1　高層建筑結構轉換層常見類型及特點

1.1高層建筑結構轉換層常見類型

在高層建筑結構中，常見的轉換類型有梁式轉換、斜桿桁架轉換、箱形大梁轉換及厚板轉換等等。

1.2高層建筑結構轉換層的特點

梁式轉換用得最廣，其設計與施工簡單，受力明確，廣泛應用于底層大空間剪力墻結構。

斜桿桁架轉換可以給建筑提供一定的使用空間，但建筑上不易處理，且桁架節點受力復雜，地震作用下易發生破壞。另外桁架轉換層的層高也不宜過小，常控制不小于3m，因為若桁架高度太小時，腹桿成為短柱，地震中容易破壞。

箱形大梁作為轉換構件，轉換層的側向剛度大，導致內力也較大，成為抗震的薄弱環節。而且由于轉換層的存在，使整體結構的剛度也更大，從而導致地震作用大。

厚板轉換也稱為板式承臺轉換層，其優點是下層柱網可以較為靈活布置，缺點是自重很大，材料耗用多。由此導致自重大，質量集中，地震作用產生的水平力會在轉換層突然增加很多，受力過于復雜。采用這類結構時應有良好的構造措施和施工措施保證。

2　帶梁式轉換層的高層建筑結構的受力與變形特性

2.1梁式轉換的分類

當梁式轉換層轉換的上部豎向構件是剪力墻時，可稱這種轉換形式為框支轉換。當被轉換的上部豎向構件為框架柱時，可稱之為框架轉換。

2.2框架轉換

框架轉換中，由于一根框架柱的抗側剛度不大，當一根框架柱在底層被抽掉，由轉換梁托柱轉換。此時轉換層上、下的框架抗側剛度變化并不明顯，對結構的抗震性能影響不大。且托柱轉換梁自身受力也不復雜，因而本文對于托柱轉換不作詳述，而對框支轉換進行較為詳細的探討。

2.3框支剪力墻

上部剪力墻不能落地，通過轉換梁（框支梁）支撐在下部框支柱上，這樣的結構即為框支剪力墻結構。

在豎向荷載作用下，框支剪力墻的應力分布特點為：豎向應力在剪力墻上部均勻分布，在轉換層及其以上幾層豎向應力流向路線向兩側框支柱匯集。因而在框支柱支撐上部剪力墻的局部豎向應力很大，在轉換層柱間剪力墻的豎向應力越往跨中越小。其豎向應力流向路徑類似于一個拱，從而產生兩側往外的水平推力，而這個推力又由轉換梁來承受，因而轉換部位的水平拉應力很大。水平拉應力的分布在轉換部位下邊緣最大，沿著框支剪力墻高度方向往上走，逐漸減小。需要注意的是，在框支剪力墻中，轉換梁（框支梁）就是全截面受拉，與一般的受彎梁受力形態并不一樣。

在水平荷載作用下，框支剪力墻結構由于上部剪力墻抗側剛度很大，下部框支柱相對來說抗側剛度很小，上、下剛度相差懸殊。因而底部框支層的層間變形將很大，地震中常常在框支柱的柱頂或柱底出現塑性鉸，易形成機構，發生倒塌。結構設計要力圖避免出現這種情況，框支剪力墻結構的設計中應盡量使之不出現軟弱層，減小轉換層上下剛度差異。

3　梁式轉換結構（框支剪力墻結構）的設計概念與原則

3.1設計中應避免出現軟弱層

在框支剪力墻結構體系中，要盡量減小上下剛度差異，因而必須有一定數量的落地剪力墻，且要加大落地剪力墻下部的厚度。甚至在不影響下部使用的前提下另加剪力墻，同時應從減小轉換構件的截面高度著手盡量壓縮框支層高，以提高框支層的抗側剛度，使轉換層上、下抗側剛度接近，從而避免在框支層形成軟弱層。

3.2設計中應避免出現薄弱層

為了避免在框支層形成薄弱層，應提高框支柱和落地剪力墻的承載力和延性。

根據我國現有《建筑抗震設計規范》的“三水準”的抗震設防目標，第一水準，結構進行多遇地震下的彈性整體計算分析。在彈性階段，由于轉換層以下框支柱與落地剪力墻二者抗側剛度的差異，剪力將主要由落地剪力墻承擔。在轉換層以上剪力由所有剪力墻承擔，而在轉換層以下框支剪力墻的剪力大部分將轉移至落地剪力墻上，而框支柱本身承擔剪力很小。框支剪力墻承受的傾覆彎矩將轉化為兩端框支柱的軸向拉壓力。

對于“三水準”的第三水準，當結構遭遇罕遇地震，將進入彈塑性狀態。在彈塑性階段，由于轉換層以下落地剪力墻抗側剛度遠大于框支柱，所以一般落地剪力墻將先開裂，出現塑性鉸，繼而剛度降低，出現塑性內力重分布，框支柱承擔的剪力將增加。因此，在設計中需要對框支柱的設計剪力和彎矩進行放大。

另外，框支柱上端與剛度很大的轉換梁（框支梁）相連，下端與基礎相連。在水平作用下，若層間變形過大，框支柱在兩端將出現塑性鉸。因此對于底部一層或兩層框支剪力墻結構的框支柱箍筋要全高加密。對于多層框支柱，應在最上層和最底層的框支柱箍筋進行全高加密。甚至為了提高框支柱的變形能力和延性，加強其抗震性能，可采用鋼管混凝土柱。

3.3關于高位轉換

關于轉換層的設置宜把握另外一個重要原則：宜低位轉換，盡量避免高位轉換。由于設置轉換層的結構豎向構件不連續，在轉換層上、下豎向剛度有突變，易出現薄弱層，對抗震不利。而高位轉換將加劇這些不利影響，且當轉換層位置升高至與高階振型的幅值位置重合時，高階振型影響將加大。因此在結構的方案設計中，就轉換層位置的設置應堅持宜低不宜高的原則。

3.4轉換層樓板的設計注意點

對于帶轉換層的結構，樓板的設計應注意一些問題。底部大開間的框支剪力墻結構，框支剪力墻的剪力要向落地剪力墻轉移。而這個剪力的轉移是通過連接二者的樓板來完成的，因此對于轉換層及其鄰近幾層的樓板設計就需格外注意。樓板傳遞剪力的受力狀態屬于平面應力狀態，為了保證樓板傳遞剪力的能力，設計中要求轉換層的現澆混凝土樓板滿足一定的厚度，一般不小于180mm厚，并雙層雙向布置鋼筋。在轉換層及鄰近樓層的樓板不宜開大洞，根據具體情況和傳遞剪力的多少還應考慮是否將鄰近的樓層板進行加強，必要時應對轉換層樓板進行詳細應力分析，校核樓板的剪應力是否超過相應限值。

4　結語

帶轉換層的高層建筑結構在方案設計初期，應該根據建筑本身特點選擇合理的結構轉換方案。在熟悉轉換結構的受力與變形特點的基礎上，能預知結構的破壞形態，從結構抗震概念設計上對關鍵構件進行加強，設計出抗震性能良好的合理的轉換結構。

[1]《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2010）[S].

[2]《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）[S]

[3]徐培福.復雜高層建筑結構設計[M].北京：中國.建筑工業出版社，2005.

[4]包世華，方鄂華.高層建筑結構設計[M].北京：清華大學出版社，1990.

TU973

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1673-0038（2015）42-0074-02

2015-10-1