高層建筑梁式轉換層結構設計探討

胡靖

摘? ? 要：隨著建筑技術不斷發展，城市高層建筑不斷林立，帶轉換層的復雜高層建筑也屢見不鮮。轉換層結構受力情況復雜，易形成薄弱部位從而對整體結構受力性能造成不利影響，因此轉換層結構設計是提高結構安全性的重中之重。本文以梁式轉換結構為研究對象，簡要分析轉換結構構件的受力特點及轉換層對結構整體受力可能造成的影響，歸納總結轉換構件及建筑整體結構設計的一般性規律，為高層建筑梁式轉換層結構設計提供一些方法建議。

關鍵詞：高層建筑;梁式轉換層;轉換構件;結構設計

1? 前言

在進行高層建筑結構設計時，為避免結構側向剛度突變形成軟弱層，一般要求豎向布置規則均勻，豎向抗側力構件上下連續貫通。然而工程實際中，由于某些建筑功能特殊需求，譬如建筑底層需要設置大空間時，建筑結構的部分框架柱或剪力墻無法直接連續貫通落地，就必須進行轉換層設計。轉換結構根據上部結構構件的不同可分為托墻轉換和托柱轉換，而根據轉換結構構件的不同又可分為梁式、板式、桁架式等不同轉換形式。其中以轉換梁為主要轉換結構構件的梁式轉換結構是其中最為常見的一種，具有構造簡單、結構可靠穩定等特點。

帶轉換層的高層建筑設計屬于復雜高層建筑設計范疇。由于墻、柱等豎向構件的連續性被打斷，轉換層的受力情況較為復雜，易形成抗側力薄弱部位，進行結構設計時必須特別關注轉換構件的受力特性，加強建筑結構整體的抗側力性能，必要時還需要對受力復雜部位進行補充應力計算分析。

2? 轉換結構受力特點

2.1? 水平轉換構件

梁式轉換結構以轉換梁作為主要水平轉換構件，直接承受其上部被轉換框架柱或剪力墻傳遞的豎向荷載作用，受情況較為復雜。在上部結構荷載作用下，轉換梁承受較大剪力和彎矩，特別是托柱轉換梁在托柱部位承受較大集中荷載以及轉換梁自身或其上部墻體的邊洞，極易造成轉換梁的應力集中。對于托柱轉換梁，由于上部豎向荷載與下部豎向荷載的偏心效應，轉換梁一般承受一定扭轉作用，需要考慮轉換梁扭轉承載力的計算分析和加強措施。對于框支梁，在彎矩和軸力共同作用下，易形成偏心受壓作用，梁截面受拉區域較大，甚至全截面受拉。

2.2? 豎向轉換構件

豎向轉換構件指承托轉換梁的豎向構件，一般為轉換柱。轉換柱雖然受力形態與普通框架柱大致相同，但是受力大、破壞后果嚴重，是轉換層結構中需要重點加強的重要受力構件。轉換柱抗震承載力主要受柱截面的軸壓比和剪壓比控制。考慮結構整體的抗震變形能力，轉換柱不宜過早屈服，在進行抗震承載力分析計算時，轉換柱及與之相連的上、下柱端的剪力和彎矩設計值應進行一定調整。對于部分落地剪力墻結構，需要考慮框支柱與落地剪力墻協同抗震問題，特別是在地震作用下出現落地剪力墻剛度降低現象時，框支柱上將承受更多地震作用。另外由于轉換梁、柱受力的特殊性，其節點區域的受力非常大，應進行抗震驗算。

2.3? 轉換層位置對結構整體受力特性影響

轉換層由水平轉換構件及其下部豎向構件構成。由于豎向構件布置的變化，轉換層的上、下部樓層易形成較大側向剛度差異，導致構件的內力和變形突變。因此轉換層是高層建筑結構設計需要重點考察的部位。轉換層位置對結構整體的抗側力性能有顯著影響，在進行結構側向剛度分析計算時，應注意轉換層上、下部位計算模型高度的選取。一般來說，越是高位轉換對結構抗震越不利，特別是對于部分落地框支剪力墻結構，在地震作用下，高位轉換易使上部墻體破壞和下部落地剪力墻屈服，因此應限值轉換層位置不宜過高，同時相應提高框支柱和剪力墻底部加強部位的抗震構造措施。

3? 轉換構件設計原則

3.1? 轉換梁結構設計

與普通框架梁以受彎為主的受力形態不同，轉換梁必須考慮承受拉、彎、剪、扭的共同作用。在進行截面設計時，除滿足受彎承載力和受剪承載力要求外，轉換梁截面尺寸受剪壓比控制。同時，考慮構件整體的穩定性，應限值高跨比不宜過小;考慮轉換梁與上、下豎向構件的連接，一般限制其截面寬度不大于轉換柱同方向寬度，并且不小于所托柱寬度或不小于所托墻體厚度的2倍。配置偏心受拉轉換梁鋼筋時，除滿足相應抗震構造措施外，梁底縱向鋼筋應全部直通柱內，梁頂縱向鋼筋至少50%沿全長貫通。針對轉換梁受扭，應沿腹板高度配置腰筋，同時采取轉換梁柱截面中線重合、在托柱位置設置與轉換梁方向正交的框架梁等方式減小扭矩。此外，還需特別注意邊洞、集中荷載等因素造成的轉換梁截面上應力集中，對轉換梁及其上部墻體的洞口尺寸、離開轉換柱距離等幾何參數加以限制，同時對相應部位采取箍筋加密等加強措施。

3.2? 轉換柱結構設計

作為重要受力構件，轉換柱一旦遭受破壞，對結構整體的損害巨大，因此在進行帶轉換層高增建筑的抗震設計時必須首要確保轉換柱安全性。對于托柱轉換結構，應根據建筑物抗震等級，適當調整轉換柱軸力設計值;遵循強柱弱梁的抗震機構控制原則，調整柱端彎矩設計值;遵循強剪弱彎原則，調整柱端剪力設計值，同時柱截面還必須滿足剪壓比控制條件;遵循強節點弱構件原則，對轉換梁柱的節點核心區進行抗震承載力驗算，并采取相應構造加強措施。對于部分框支剪力墻結構，應根據框支柱數量和承受結構基底剪力占比調整地震剪力，根據抗震等級調整落地剪力墻底部加強部位的彎矩和剪力設計值，并且避免墻肢出現偏心受拉。轉換柱截面主要由軸壓比控制，截面高度和寬度最小值分別不小于轉換梁跨度的1/12和450mm，同時還應避免柱截面過大形成“短柱”。為增加安全度，轉換柱與普通框架柱相比有更高配筋率要求，其中縱向鋼筋最小配筋率增加0.2%，最小配箍特征值增加0.02，最小體積配箍率（與抗震一級時框架柱相比）增加0.7%。轉換柱箍筋應沿柱全高加密，箍筋的最小直徑和最大間距也比普通框架柱有更高要求。

4? 帶轉換層高層建筑整體結構設計

4.1? 轉換層布置及上部結構設計

對于帶轉換層的高層建筑，考慮到高位轉換對結構整體受力性能可能產生的不利影響，應盡量控制轉換層高度。特別是對于框支剪力墻結構，抗震設防烈度為8度、7度、6度時轉換層分別不宜超過3層、5層、6層，并且當轉換層超過3層時應注意加強框支柱和剪力墻底部加強區的抗震構造措施。轉換層上部結構的平面布置宜盡量簡單，上部結構的豎向抗側力構件宜直接落在轉換梁上，減小荷載傳遞路徑。無法避免主、次梁二次轉換時，應充分考慮傳力路徑過長的不利影響，對轉換主梁進行應力補充分析和配筋校核。

4.2? 結構整體抗側力性能控制

為避免轉換層上、下結構側向剛度出現較大差異，給結構整體抗側力性能帶來不利影響，需要對轉換層上下的側向剛度比進行驗算分析。對于轉換層設置在2層及以下的情況，可以僅計算轉換層及其相鄰上層的等效剪切剛度，近似采用這兩個相鄰樓層的等效剪切剛度比進行控制。此處等效剪切剛度指該樓層的折算剪切剛度與層高的比值。對于轉換層設置在3層及以上的情況，則必須取轉整個轉換層及下部結構和接近并小于其計算高度范圍內的轉換層上部結構，分別計算等效側向剛度，以下、上部的等效側向剛度比進行控制。此處等效側向剛度指所取計算結構計算高度與其在單位水平力作用下頂部側移的比值。

5? 結語

與普通高層建筑相比，帶轉換層的高層建筑的結構設計具有其特殊性。圍繞轉換構件的內力分析和構造加強、轉換層設置和轉換路徑的優化設計、整體結構的抗側力性能控制，有必要進行全面系統的分析研究，以達到提高結構安全性的目的。

參考文獻：

[1] 鄭夢龍.鋼筋混凝土梁式轉換層施工技術在高層建筑工程中的應用[J].中國住宅設施，2018（7）：127～128.