探索梁式轉換層的高層建筑結構設計

【摘要】目前，國內梁式轉換層結構的工程設計與施工經驗逐漸增多，但在結構設計方面還需待一步總結和完善。通過對梁式轉換層的設計思路和構造要求的深入了解，選擇合理的結構布置方式和構造設計方法是關鍵。結構布置的合理與否直接影響建筑的質量與使用性能，同時也與建筑的經濟性有著密切的關系。

【關鍵詞】高層建筑；轉換層；設計

1、高層建筑轉換層結構設計中的整體計算要點

1.1帶轉換層的高層結構是復雜的空間受力體系，必須將轉換結構作為整體結構中的一個重要組成部分，應確定較能反映結構中各構件的實際受力狀況的力學模型，選取合適的三維空間分析軟件進行整體結構計算分析。

1.2抗震計算中，宜考慮平扭耦聯計算結構的扭轉效應，振型數不應少于15，且應使振型參與質量不小于總質量的90%。

1.3應采用彈性時稱分析法進行補充計算；必要時宜采用彈塑形靜力或動力分析方法驗算薄弱層彈塑形變形。

1.4度抗震設計時轉換構件還應考慮豎向地震的作用，可采用反映譜方法或動力時程分析方法計算；近似考慮，也可取構件重力荷載代表值的10%；

1.5轉換層是薄弱樓層，不論其豎向側向剛度是否滿足規范要求，其地震剪力應乘以1.15的增大系數特一級一級二級轉換構件水平地震作用內力應分別乘以增大系數1.8，1.5，1.25。

1.6框支轉換中，由于轉換層以下的落地剪力墻剛度遠大于框支柱，為提高剪力墻裂縫開展后框支柱的承載力安全度，應對框支柱的剪力作相應調整

2、高層建筑梁式轉換層結構的設計

2.1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。

2.2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。

2.3轉換梁設計要點

主要規定如下：（1）轉換梁與轉換柱截面中線宜重合。（2）轉換梁截面高度不宜小于計算跨度的1/8。框支梁截面寬度不宜大于框支柱相應方向的截面寬度，且不宜小于其上墻體截面厚度的2倍和400mm的較大值。（3）托柱轉換梁應沿腹板高度配置腰筋，其直徑不宜小于12mm，間距不宜大于200mm。（4）轉換梁縱向鋼筋接頭宜采用機械連接，同一連接區段內接頭鋼筋截面面積不宜超過全部縱筋截面面積的50%，接頭位置應避開上部墻體開洞部位、梁上托柱部位及受力較大部位。（5）轉換梁不宜開洞。若必須開洞時，洞口邊離開支座柱邊的距離不宜小于梁截面高度；被洞口削弱的截面應進行承載力計算，因開洞形成的上、下弦桿應加強縱向鋼筋和抗剪箍筋的配置。（6）托柱轉換梁在轉換層宜在托柱位置設置正交方向的框架梁或樓面梁。

2.4轉換梁的計算要求

（1）轉換梁的承載力一般是由斜截面受剪承載力控制。斜截面受剪承載力主要由混凝土和箍筋承擔，梁水平腰筋也能承擔一部分剪力，但一般不參與計算，而是作為安全儲備使用。因此適當提高轉換梁的水平腰筋不僅能減少裂縫的產生，還能加大其受剪承載力。（2）轉換梁的正截面受彎承載力計算與普通梁相同。（3）由于上部荷載作用點或荷載作用線經常與梁截面中心線不重合，使得轉換梁產生扭矩，而梁的抗扭承載力較低，因此設計時不僅要通過計算來確定抗扭承載力是或能滿足，還應在開始設計時就盡量使兩者重合，有條件的情況下可設置雙向轉換梁來平衡扭矩。

2.5落地剪力墻設計要點

（1）落地剪力墻承擔的地震傾覆力矩應大于結構總地震傾覆力矩的50%；（2）落地剪力墻洞口宜布置在墻體的中部；（3）落地剪力墻的間距：非抗震時不宜大于3B和36m；抗震設計時，當底部框支層為1～2層時，不宜大于2B和24m；當底部框支層為3層及3層以上時，不宜小于1.5B和20m；B為落地墻之間樓蓋的平均寬度。

2.6轉換層及其相鄰樓層樓板的設計要點

（1）轉換層樓板厚度不宜小于180mm，應雙層雙向布置，且每層每方向的配筋率不宜小于0.25%，落地剪力墻外圍樓板不宜開洞。（2）與轉換層相鄰樓層的樓板也應適當加強。

2.7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。

2.8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。

2.9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。

3、結語

在進行高層建筑梁式轉換層結構設計時，要概念明確，思路清晰，計算分析各種轉換層結構時，應選用適宜的平面或空間有限元程序，以減少工作量，提高效率，同時對某些結果的調整也變得更為理想。普通梁承載力計算、受力性能及構造與轉換梁有較大差異，在轉換梁設計中應該謹慎對待，從而充分保證結構使用安全。

參考文獻：

[1]唐興榮.高層建筑轉換層結構設計與施工[M].北京：中國建筑工業出版社，2002.

[2]謝曉鋒.高層建筑轉換層結構型式的應用現狀及問題[J].廣東土木與建筑，2013，