高層建筑梁、板式轉換層結構設計的方法

【摘要】開發商為了增加高層建筑的利用率和提升經濟效益，通常將低層作為商鋪使用，高層用于辦公或居住。由于建筑上下樓層的功能不同，結構形式也有很大差異。結構不同的相鄰樓層之間需要設置轉換層，一來可以提供更大的室內空間，二來也能夠確保高層建筑整體的穩定性。文章以梁、板式轉換層為例，首先對轉換層受力情況進行了簡單分析，隨后列舉了轉換層結構設計中應遵循的兩點原則，最后就如何開展科學設計、提高轉換層應用效果提出了幾點建議。

【關鍵詞】高層建筑；轉換層；基本原則；結構設計

1、高層建筑梁、板轉換層的結構分析

1.1 底層框支柱和落地剪力墻的受力轉換

當底層框支柱和落地剪力墻按等效剛度來分配水平力時，由于框支柱的側向剛度通常不到剪力墻側向剛度的1%，所以在進行水平力分擔時，框支柱所能分擔的水平力是極其有限的，甚至可以忽略不計。但是如果當轉換層樓板發生變形時，處在框支柱區域內的底層的水平位移將會達到最大，從而使框支柱實際受到的剪力要比理論分析所得到的剪力大得多。鑒于以上底層框支柱和落地剪力墻的受力特點分析，需要在工程設計時對落地剪力墻和框支柱留有一定的安全儲備。

1.2 建筑底部水平力的分配

在普通建筑中，垂直方向上的壓力直接作用于建筑底部樓層和地基，由于剪力在傳遞過程中沒有發生明顯的改變，在施工階段只需要做好地基加固工作，就可以保證建筑整體的安全。但是對于高層建筑來說，由于梁、板式轉換層的存在，力的傳遞方式也會受到相應的影響。以垂直方向上的荷載力為例，高層建筑上部荷載力在向下傳遞過程中，受到梁、板式轉換層結構的影響，形成水平分力。這個力平均分布在轉換層的平面，可以起到降低建筑結構形變的效果，這也是高層建筑使用梁、板式轉換層提升穩定性的機理。

1.3 上下剪力墻的受力關系

以轉換層作為分界，上下剪力墻雖然在結構布置上有很大差異，但是樓層剪力和變形曲線都具有高度的相似性。這是因為樓層剪力主要來自于高層建筑各個樓層在水平方向上產生的壓力，然后再根據不同樓層上剪力墻的等效剛度進行分配。按照這一受力分配特點，下部剪力墻除了要承擔水平力外，還要受到垂直方向上的重力。落地剪力墻需要承擔更多的荷載壓力，對轉換層結構穩定性設計提出了更高的要求。

2、高層建筑梁、板轉換層結構設計原則

2.1 平面布局中應遵循的原則

高層建筑底部樓層大多采用比較規則的結構形式，而上部主要是剪力墻結構。在進行平面布置時，需要遵循以下幾方面的原則：首先，結構對稱原則，要求保證結構偏心率控制在最大誤差范圍內，東西方向上的剛度中心于南北方向的質量中心，結構偏差應不超過1m。其次，做好上下剛度突變的控制。轉換層的高度，也會直接影響剛度突變的發生率。當高層建筑中轉換層剛度在中高層以上時，落地剪力墻在多個作用力的影響下，容易出現受彎裂縫。當裂縫發育到一定程度后，框支柱受到的力也會成倍的增加。這些力通過轉換層繼續傳遞到附近的墻體上，破壞墻體的穩定性。因此，在梁、板式轉換層結構的平面設計上，也要通過適當降低轉換層高度，控制突變。

2.2 豎向布局中應遵循的原則

高層建筑轉換層的垂直布局上，應重點考慮建筑上下樓層的功能和結構形式，做到兼具靈活性和實用性。首先，增強樓層豎向剛度設計，減小轉換層與上下樓層的剛度差。這樣一來，轉換層不僅可以發揮上下功能樓層的協調和過渡作用，而且也可以作為正常樓層，提高了建筑空間的利用率。其次，對于結構形式比較復雜的高層建筑，需要重點增加屋面梁的厚度，既可以減小地震災害對高層建筑穩定性的破壞，又可以提高樓層剛度。

3、高層建筑梁、板轉換層結構設計的方法

3.1 做好轉換層的分析與計算工作

在轉換層設計時，需要提前做好充分的計算，以保證高層建筑梁、板式轉換層結構的穩定性和安全性。為了提高分析與計算結果的參考價值，需要注意兩方面的事項：其一是結合高層建筑的結構模型，計算各樓層的平面剛度；其二是采用科學的計算方法，例如使用有限元計算軟件，既可以實現對大量數據的快速計算，又能夠降低計算誤差。特別是對框架剪力墻結構來說，由于上部剪力墻與多跟柱連接，受力結構相對復雜，使用有限元計算軟件，可以將柱結構轉換為梁結構，提高轉換層的穩定性。

3.2 科學設計轉換成結構

梁、板式轉換層結構雖然在一定程度上提升了建筑內部空間，但是也存在一定的問題，例如在垂直方向上，轉換層結構容易發生剛度突變。通常來說，只要剛度突變控制在一定范圍內，不會對高層建筑整體結構的安全產生影響。但是由于剛度突變本身具有不確定性，突變幅度過大會破壞既有的建筑結構，從而引發安全隱患。例如，高層建筑在遇到較強的地震后，梁、板式轉換層結構較為薄弱，需要在設計和施工時重點關注。

3.3 拖墻形式轉換梁截面設計

如果所選擇的設計方法為轉換梁承托上部斜桿框架，這時轉換梁會受到一種軸向拉力，我們在設計時應考慮到偏心受拉構件，并以此進行截面設計。更具體地說，當轉換梁承托上部墻體滿跨不開洞時，轉換梁和上部墻體會同一時間受力且同一時間作用，而這種同時受力同時作用的形態通常呈現一種深梁形式，此時轉換梁截面設計方法比較適宜采用應力截面設計或深梁截面設計，以此得出縱向鋼筋應沿全梁高合理分布配置。因此，在開展轉換梁截面設計時，需要精確計算轉換梁跨能夠承受的最大內力，只有確保內力始終小于縱向鋼筋的彎折極限，才可以保證轉換層結構的安全。

結語：

現代建筑中高層建筑的比例越來越多，轉換層作為高層建筑中不可或缺的重要結構，需要根據高層建筑的結構形式、使用功能等，進行科學設計，以提高高層建筑的整體使用質量。梁板式轉換層結構設計時，技術人員要做好受力分析，遵循結構設計的基本原則，提高轉換層的應用效果。

參考文獻：

[1]戴國亮，蔣永生，傅傳國，等.高層型鋼混凝土底部大空間轉換層結構性能研究[J].土木工程學報，2013，36（4）：24-32.

[2]蘇建華.高層建筑預應力薄板式及型鋼混凝土梁式轉換層結構性能與設計研究[D].同濟大學，2017.

作者簡介：

莫建華，（1986.5-），男，漢族，廣西賀州人，碩士研究生，工程師，研究方向：結構設計。