關于建筑工程中混凝土結構梁式轉換層設計技術的研究

葉錦俊

（廣東省建科建筑設計院有限公司，廣東廣州 510000）

0 引言

在高層建筑的設計中，為了滿足建筑的使用功能需求，在高層建筑的底層，在上層樓層的一些垂直構件（剪力墻、框架柱）無法直接連續貫通落地的時候，就需要設置一個結構轉換層，并在結構轉換層中布置轉換結構，我們將該結構稱為具有轉換層的復雜高層建筑。帶轉換層的結構是一把雙刃劍。從建筑的使用功能來看，它無疑是將底層的無柱空間進行了擴展，這樣就可以最大程度地提高建筑布局的靈活性，適合在大型商場等的運營。但是，從抗震的角度來看，在轉換層的結構中，有一些豎向抗側力構件并沒有貫通，而是利用水平轉換結構，將上面的豎向荷載轉移到下面的豎向荷載，這樣的話，傳力途徑就會發生根本的改變，因此，傳力途徑會進行多次的轉換，從而使其受力變得更加復雜。此外，在轉換層中，豎向剛度和剪力都會出現突變，很容易形成一個薄弱的區域。此外，在偏心載荷的作用下，轉換梁還會產生扭轉效應，這對抗震非常不利。因此，如何對轉換層進行合理的設計，就顯得尤為重要[1]。

梁式轉換層在高層建筑中的使用日益廣泛，其傳力明確，受力性能良好，工作可靠，結構設計簡單，施工方便，造價節省。它是一種廣泛使用于高層建筑中的轉換層。

1 梁式轉換層的結構優化

在建筑結構底層，如果梁式轉換層設置在較高的樓層，將會引起轉換層上、下兩個樓層的剛度發生突變，造成剪力墻出現開裂，從而引起梁式轉換層的內力增加，影響轉換層的穩定，降低建筑結構的抗震能力。為此，需要對梁式轉換層進行結構優化，并對轉換層進行合理的內力調節，增強梁式轉換層的承載能力，并選擇合適的轉換件，以確保建筑的使用功能。

1.1 梁式轉換層的內力調整

從建筑物轉換層抗震理論和有關的分析結果中可以看出，在對建筑物梁式轉換層結構進行優化時，可對框支柱、轉換梁等轉換層結構的內力設計進行合理的調整，從而提高建筑樓層的最小水平地震承載力，保證在建筑結構遇到地震時，樓層之間的梁式轉換層結構還具備一定的彈性，從而降低地震對建筑物造成的影響。在此基礎上，通過對梁式轉換層在縱向和橫向兩個方向上所承受的內力進行合理的調節，確保框架梁和剪力墻的承載能力滿足設計要求，確保該建筑梁式轉換層具備雙側抗側能力。對彈性階段的設計內力做出相應的調整，以確保建筑物梁式轉換層結構擁有一定的抗震性能[2]，與此同時，還要保證一些重要的部件及普通豎向部件擁有一定的抗剪彈性和抗彎曲性，還可以讓建筑梁式轉換層的一些部件處在非彈性工作狀態，這樣可以將施工設計成本降到最低。不過，要特別指出的是，非彈性梁式轉換層的部件應該具備抗剪截面，還要定期對梁式轉換層的內力大小、抗震性能等重要信息進行檢測，并對梁式轉換層中出現的裂縫進行修復，這樣才能保證建筑物結構的抗震性能不會受到影響。

1.2 加強梁式轉換層的結構強度

適當提高轉換梁錯層區域的樓板強度，將樓板厚度提高到18cm，并進行雙層雙向配筋，確保配筋率不小于0.25%。在對建筑物上、下樓層梁式轉換層的結構強度進行優化設計時，必須確保新增的框支柱與框支梁之間的間距不大于4m，并且要比地板高度低。當門、窗開口寬度大于1.2m，并且不與剪力墻重疊時，在開口兩邊加框架支撐梁。同時，在外墻面上的雨棚門開口兩邊各加一根框架支撐，以確保框架支撐的高度與層高一致。若電梯井道需進行梁式轉換層的強度優化，則需在井道4 個角落處布置充足的框架支撐，以提高結構的抗震性能，并在框架梁上加設兩根三級鋼筋，并將其貫穿。與此同時，如果建筑物填充墻前面一定范圍內沒有重要的建筑構件，或者沒有豎直的墻體，那么就應該按照特定的施工需要，在墻體的前端增加一個框支柱。當填充墻的長度超過5m 或層高超過設計需求的時候，就必須在填充墻的中部增設框支梁，并且它與框支柱的距離間隔不超過4m。這里要特別指出的是，如果填充墻頂部端口不存在垂直墻體或其他構件，那么就應該確保框支柱與框支梁的距離間隔不超過3m，以避免墻體應力過大，從而對建筑結合的抗震性能造成一定程度的影響[3]。

2 梁式轉換層結構設計要點

2.1 計算考慮要周全，受力模型清晰

在電算過程中，應該將轉換結構視為整體結構中的一個重要部分，使用與實際受力、變形狀況相一致的計算模型，來展開三維空間整體結構的計算和分析，在需要的時候，應該使用有限元方法（如PKPM 軟件中的FEQ 有限元分析程序）來對轉換結構進行局部的補充計算，并按照規范的要求，進行彈性時程分析計算。

根據《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3—2010）（簡稱《高規》）第5.1.12 條，轉換層結構是一種復雜高層建筑，所以應該使用至少兩個不同力學模型的三維空間分析軟件，來對整體內力位移進行計算。例如，可以使用PKPM 軟件中的SATWE 和PMSAP 或其他SAP2000 等軟件。根據《建筑與市政工程抗震通用規范》（GB 55002—2021）第4.2.3 條，豎向不規則結構的薄弱層在多遇地震下水平地震剪力標準值對尚應乘以1.15 的增大系數，根據《高規》第10.2.4 條，在8 級抗震設防的情況下，轉換件的垂直地震作用應該被考慮[4]。

框支梁和轉換梁雖然同為一種結構形式，但是二者在結構形式上存在著較大的差異，在對其力學性能進行分析之前，必須先對其力學性能進行全面的分析。簡而言之，框支梁指的是在一般剪力墻之下的框架梁，而轉換梁指的是在較小的剪力墻之下或柱子之下的框架梁；轉換梁僅承受彎矩和剪力，是一種正常的受彎構件；框支梁同時承受拉力，是一種偏心受拉的構件，與磚木框架中的墻梁相似；轉換梁兩邊的地板層與正常地板層相同，但在框支梁兩邊的地板層除了具有正常地板層的功能之外，還承擔著共同的受力功能；轉換梁與框架梁在受力上有很大區別，其結構形式及配筋方式也有很大區別。

2.2 轉換梁的設計

在進行轉換梁結構設計的時候，要盡量避開開洞，并且要按照建筑結構設計的要求，對轉換梁上、下弦桿箍筋的剪力進行嚴格的控制，并按照有關的抗震設計要求，將轉換梁上、下主筋的最小配筋率設定在0.3%～0.5%[5]。在展開轉換梁中的主筋結構設計的時候，要使用機械連接的方法，將豎向鋼筋之間的接頭進行緊密的連接，并且要確保接頭連接面積不超過主筋截面積的50%，要確保轉換梁上部50%的主筋沿梁結構全長貫通，與此同時，下部主筋必須全部貫通到框支柱的內部。并以轉換梁的高度為依據，對特定區域的箍筋進行加密，確保加密箍筋的直徑超過0.01m，間隔不超過0.1m，并且符合建筑物的地震等級要求，將加密箍筋的最小面積配箍率控制在0.5%～0.8%。力傳遞方式如圖1 所示。

圖1 力傳遞方式

2.3 框支柱的設計

在建筑結構梁式轉換層結構經過結構調整和優化后，框架支撐柱的柱頂彎矩需按建筑結構抗震設防標準按1.25～1.5 倍放大系數進行放大。與此同時，要按照框架支撐的個數來對框架支撐進行剪切設計，確保框架支撐的剪切設計和柱頂彎矩的匹配，并要嚴格確保框架支撐的軸力達到設計要求。以建筑物的地震等級為依據，對框支柱的縱向鋼筋配筋率展開設計，當建筑物的地震等級為一級的時候，要確保縱向鋼筋的配筋率不會低于1.2%，在地震等級為二級的時候，配筋率不會低于1.0%，還要確保框支梁的縱向鋼筋間距不會小于0.08m，不會大于0.2m，并且為了確保框支柱的結構強度，降低設計施工成本，需要確保框支柱的縱向鋼筋配筋率不會超過4%，并沿著框支層對框支柱的箍筋進行加密。同時，對加密箍筋的體積配箍率進行了研究，得出了加密箍筋的體積配箍率為1。為了確保框支柱的結構設計是合理的，應該選擇復合螺旋箍或井字復合箍對框支柱進行箍筋設計，并且箍筋的直徑應該超過0.01m，并且以框支柱縱向鋼筋直徑的6 倍作為箍筋間距，并且其間距應該超過10cm。

2.4 框支梁的設計

在確定框支梁斷面時，要考慮到梁式轉換層所承受的剪切和荷載的比例，其斷面寬度為2 倍，不能超過0.4m，并按框架支撐的高度來確定框支梁斷面高度。因為框支梁是梁式轉換層的主要受力結構，它是建筑物剪力墻結構抗震抗剪性能的重要保障，它的受力十分復雜。所以，在對框架梁結構進行設計的時候，應該準備好多個設計方案，并在框支梁上設計出一種安全減震結構，根據建筑物抗震等級要求，確保框支梁縱筋配筋率不低于0.8%。因為框支梁是一種偏心受拉型建筑構件，在梁結構中會有一定大小的軸力。為了確保框支梁的穩定性，需要在框支梁的中部設置一定數量的腰筋，并且沿著框支梁水平布置，腰筋間距不大于0.2m，并且要嚴格確保將腰肢嵌入框支梁的支座之內。框支梁是一種具有較大承載能力的新型建筑，它是一種具有較高承載能力的新型建筑，在設計時，必須按照“強剪弱彎”的設計理念，嚴格控制縱向鋼筋數目，并對配箍進行加固。

2.5 樓板的設計

梁式轉換層的樓板結構將上部水平剪力傳遞至下部，容易引起樓板應力分布不均勻，產生變形，為了確保樓板的穩定，需采用0.2m 以上的現澆型鋼筋混凝土板，增加各層的橫向剛度，提高轉換梁的抗扭轉強度，提高樓板的抗震性能。在對樓板結構進行設計的時候，必須確保混凝土的強度不低于C30，并且使用雙向雙層配筋，并且要確保其配筋率大于0.25%，與此同時，在梁式轉換層的混凝土結構設計中，要添加1%的鋼纖維，以增強混凝土結構的抗切強度，增強樓板的抗壓能力。在進行樓面開口時，要注意不要開口太大，要在開口附近設置轉換梁，同時要確保開口的距離不能超過梁式轉換層的外部。如果需要在地面上設置升降機，那么轉換層的混凝土墻體就應該采用圓筒結構，這樣就可以減少地面的應力。

2.6 強化下部，弱化上部

為了確保底部大空間的整體結構具有合適的剛度、強度、延性和地震性能，需要在轉換層底部的基礎上，盡可能地增強底部的主體結構的剛度，削弱頂部的基礎結構的剛度和變形特性。可以采取如下措施。

（1）和建筑專業人員商量，盡量多地讓剪力墻落到地面，有需要時，還可以只在轉換層下面增加一部分剪力墻（剪力墻不伸出地面）。除了中心管如樓梯間、升降機等可設于下端之外，最好兩邊都有一面落于地面的剪力墻，這無疑會極大地提高底層的剛性；在考慮抗震的情況下，如果有多道剪力墻，那么在不地震的情況下，水平落地的剪力墻數量占水平剪力墻總數的比例最好不低于50%，而在不地震的情況下，水平落地的剪力墻數量占水平剪力墻總數的比例最好不低于30%；另外，落地式剪力墻之間的間隔不宜超過20m。

（2）在轉換層之下，增加落地剪力墻的厚度，而在轉換層之上，對于沒有落地的剪力墻，則應盡量增加其間隔，使其變薄，使其變薄，既可以降低混凝土的使用量，又可以降低其剛度。

（3）對于具有過渡層的建筑，在過渡層的上部和下部的剛性比值必須加以控制。通過對轉換層之上的樓層高度進行提升，可以對剪切剛度比進行直接的改善。然而，通常轉換層之下的空間比較大，層高也比較高，而轉換層之上的大部分都是住宅，層高比較低，這就導致了剪切剛度比的增大。如果能夠在滿足建筑專業要求的情況下，增加轉換層之上的樓層高度，或者在住宅的底部增加一層設備層，將設備層和底層住宅設計成一個結構層（在設備層與底層住宅之間的樓板與剪力墻等垂直構件之間留有縫隙，將它們分開），這樣就可以使轉換層上下兩層剛度比的差異變得更小。

（4）為避免在轉換層下方的底板剪力墻上出現過多的孔洞，或設置較少的孔洞，以避免對墻體的剛度造成過大的弱化。

（5）對轉化層之下的底板剪力墻或底板柱進行混凝土加固，使轉化層之下的結構得到增強。

3 結語

在進行梁式轉換層結構的設計時，首先要對其進行基本的理論研究，然后通過對其進行分析和檢驗，從而達到更好的設計效果。同時，合理的平面及豎向布局能夠使整個建筑成為一個很好的抗震系統，因此，在進行建筑設計時，需要對建筑進行持續的研究，并對各種方案進行對比，盡可能地制定出最優的技術方案，以確保建筑的安全及經濟。