高層建筑梁式轉換層結構設計方法

陳 金

（中海油石化工程有限公司， 山東 濟南 250101）

0 引言

隨著我國城市人口數量的增加，人們日益增長的住宅需求與有限的土地資源之間的矛盾日益突出，在此情況下，我國建筑行業選擇了建設高層建筑以滿足人們的住宅需求。在建設高層建筑的時候，為了實現不同的使用功能，設計人員采用轉換結構來應對平面布置豎向變化。由于梁式轉換層的方法較為通用、簡單，在建筑結構設計中得到了廣泛的應用。

1 梁式轉換層的設計原則

1.1 控制豎直構件的使用數量

為了有效降低轉換層的剛度突變，以免在出現地震的時候破壞高層建筑的梁式轉換層，在設計轉換層的過程中，應該嚴格控制豎向落地構件的數量，從而降低轉換構件的負荷，減小轉換層上下單元的剛度變化，進而有效提升高層建筑物的抗震能力。

1.2 控制轉換層的剛度

在設計梁式轉換層的過程中，應該嚴格控制轉換層的剛度及抗震構造。由于部分轉換梁出現了整跨布置，使上部剪力墻體與轉換梁形成倒T型構件共同受力，造成轉換梁整體受拉，故《高規》(JGJ3-2015)要求轉換梁高大于其跨度的八分之一，規定其縱向鋼筋、箍筋及腰部鋼筋配筋要求，確保轉換構件的足夠剛度及承載能力，從而保證梁式轉換層結構的穩定性。

1.3 合理設計樓板

橫向剪力墻的荷載通過轉換構件傳遞至落地剪力墻及框支柱承擔；實現這一傳遞的構件分別為轉換梁、次梁、樓板。因此樓板作為傳力構件傳遞水平荷載，應具有足夠構造措施來確保樓板傳力的可靠性。但梁式轉換層的樓板也不是越厚越好，當承受豎向荷載時、板厚越厚分攤的荷載越大，很可能致使樓板出現較大變形而開裂。因此應該嚴格控制計算樓板的承受能力，保證轉換層荷載的正常傳遞。

1.4 剪力墻的設計

上部剪力墻應在建筑布局允許的情況下盡可能落地，以保證豎向構件的連續性，且落地剪力墻應盡可能對稱布置，以保證結構平面規則。為保證下部大開間整體結構有適宜剛度、強度、延性和抗震能力，應盡量強化轉換層下部主體結構剛度，弱化轉換層上部主體剛度。下部結構通常采取以下措施：強化下部結構，加大落地剪力墻厚度、提高混凝土強度等級、必要時可在房屋周邊布置部分剪力墻提高抗震能力；上部結構可采取不落地剪力墻開洞、開口、減小墻厚等。

1.5 做好計算工作

在設計梁式轉換層的過程中，還應該做好計算工作，詳細分析轉換層的變形情況，設計人員可以通過反應譜法、動力彈塑性的方法對結構模型進行詳細的分析計算，研究梁式轉換層結構在分析中的變形及構件受力。由于不同的轉換層結構構件其本構模型不同，因此應該依據高層建筑的實際情況及《高規》（JGJ3-2015）規定，選擇合適的計算方法來進行計算，保證模型邊界條件及負荷相關的要求。

2 各轉換層型式的優缺點

2.1 梁式轉換層

此種轉換層有著傳力明確、施工方便等的特征。如高層建筑的上下軸線出現錯位的情況，就需要多次轉化次梁，從而致使建筑的空間受力較為復雜。

2.2 箱式轉換層

此種轉換層有著穩定性高、剛韌性強等的優點。通常情況下，在建設過程中轉換梁柱中間有著很多的設備洞，這提高了施工的難度，進而提高了施工成本。

2.3 厚板式轉換層

此種轉換層的上部框架結構規劃并不會對下部柱網造成較大的影響，設計人員可以隨意的設置下部柱網，由于厚板的剛度較大，構成了一個承接臺。此轉換層有著施工簡單的優點，但是也有著實用性較差、施工成本較高等缺點。

2.4 桁架式轉換層

此種轉換層與其他的轉換層不同，在施工過程中框支柱柱頂彎矩及剪力施工難度較大，當軸線出現錯位問題的時候，將增加施工的難度。

綜合考慮高層建筑布置情況及施工難易程度等因素，使用梁式轉換層結構型式是較為合適的。

3 工程案例

為了研究高層建筑梁式轉換層結構的設計方法，本文以某高層建筑作為案例進行相關的研究。該高層建筑工程為34層建筑，裙樓的地上建筑是3層，地下兩層。地下一樓作為結構的固定點，為解決地上兩層的大開間及地下車庫的使用功能其轉換層設置在地上第三層，轉換層以上采用標準的剪力墻結構，三層以下采用框支剪力墻結構。

4 梁式轉換層結構的設計方法

4.1 轉換大梁結構的設計

設計人員在設計高層建筑梁式轉換層結構的過程中，應該詳細的分析結構層的功能，例如在設計轉換大梁的時候，設計人員應該詳細計算結構的受力情況并滿足相關規范的構造要求，并且根據計算結果進行設計工作，進而提升高層建筑的承載和抗震性能。

4.2 確定抗震等級

在高層建筑中，梁式轉換層是較為常見的建筑形式，通常情況下含轉換層的框剪結構處于純剪力墻與框架剪力墻之間。因而，對于轉換層結構的抗震要求也比較高，在設計過程中應該嚴格依據相關的規定來確定轉換層的抗震等級。

4.3 設計結構層的豎向結構

高層建筑在建筑結構設計的過程中，應盡可能采用落地剪力墻，減少框支柱的使用，使轉換層所轉換的承載力盡可能減小，避免了結構豎向剛度突變，增加了上下部結構的整體性和連貫性。減少豎向構件的個數，盡量少的使用短肢剪力墻，減少框支柱的個數，結構的水平荷載盡可能的讓剪力墻來承擔。

再設計轉換層以下及加強部位的剪力墻時應按照《高規》（JGJ3-2015）和《抗規》（GB50011-2010(2016年版)）的相關規定使上下部結構的側向剛度盡可能一致，在結構計算通過的同時，滿足相應的構造規定以確保建筑物的安全儲備及抗震性能。同時，在設計過程中盡可能不在落地剪力墻上開孔洞，假如必須要開孔洞，則應該盡量的減小孔洞大小，避免應力集中，從而保證主要抗側力構件的承載能力。

4.4 轉換層的計算

在設計梁式轉換層結構的高層建筑的時候，應采用不同的軟件進行建模計算，分別采用反應譜及靜、動彈塑性時程分析，并采用減、隔震措施滿足抗震設防的要求，以達到預防震害的目的。

4.5 樓板設計

由于結構的上部水平剪力會經由轉換層傳給下部結構，因而轉換層會受到較大的水平剪力，樓板將出現變形的問題，因而可以增加轉換層樓面的厚度，在設計時可以使用厚于18厘米的現澆板，以實現水平荷載在板平面外方向的可靠傳遞；并在樓板中采用雙向雙排鋼筋網。同時保證轉換層樓板沒有較大的孔洞。假如必須要開洞，則應該在孔洞的四周設置次梁或者是暗梁。

5 結語

綜上所述，在設計高層建筑梁式轉換層結構的過程中，應該依據建筑的設計要求及功能要求選擇合適的構件布置方式，盡可能保證結構的整體性連貫性，避免豎向剛度突變，多利用落地剪力墻的抗剪優勢，盡可能少的使用框支柱。因地制宜合理利用構件的受力特點，來滿足規范規程對設計結果的要求，以實現安全、經濟、美觀的結構設計初衷。