概述高層建筑梁式轉換層結構設計原理及其應用

張劍菲

摘 要：梁式轉換層結構設計是多功能高層建筑實現(xiàn)功能轉換中應用的最廣泛的一種轉換層結構設計方法。本文先簡單介紹了梁式轉換層結構設計在國內發(fā)展歷程和梁式轉換層結構在高層建筑中應用的設計原則。最后，文中從結構形式、受力機理以及設計要求三方面，對梁式轉換層的設計進行了詳細探討。

關鍵詞：高層建筑;梁式轉換層;結構設計;設計原理;原理應用

改革開來以來，我國城鎮(zhèn)化建設腳步一直在不停加快，城市人口也在快速增長，使得城市土地變得寸土寸金。于是，為了有效利用有限的城市土地資源，提高城市土地利用率，近幾年來，在城市建筑中，建筑結構逐漸向高層建筑發(fā)展。并且，這種趨勢現(xiàn)在已經變得越來越明顯，城市高層建筑高度越來越高，結構越來越復雜，同時，高層建筑的使用功能也逐漸呈現(xiàn)出功能多樣化的發(fā)展趨勢。比如，在同一棟高層建筑內，將建筑分成上中下三個不同的組成部分，上層為住宅功能區(qū)，中層為辦公功能區(qū)，下層為購物、餐飲功能區(qū)，徹底改變了以往一棟建筑只提供一種使用功能的結構特點。而由于在同一棟建筑內同時實現(xiàn)了多種不同使用功能，每一種使用功能對建筑物建筑結構和建筑空間的要求都不一樣，因此，為了能夠更好的實現(xiàn)不同功能的轉換，需要在建筑物施工結構設計中設置轉換層。目前，在建筑結構設計中應用最廣泛的就是設計、計算以及施工都比較簡單的梁式轉換層結構。

1轉換層概述

當高層建筑底部帶結構轉換層時，轉換層上部的部分豎向構件是不能連續(xù)貫通。因此，需要設計出合理的轉換構件。通常轉換構件主要包括轉換大梁、斜撐、箱形結構以及厚板等。厚板轉換受地震影響大，使用時存在較大局限性;箱形轉換的優(yōu)點是轉換梁的約束性強，剛度大，整體性好，缺點是施工復雜，造價高。目前一般采用梁式轉換，即將上部剪力墻設于轉換梁上，再由轉換柱來支撐轉換梁。其優(yōu)點是傳力方向明確，設計和施工簡便，造價低。

2梁式轉換層的設計原則

2.1減少豎向構件

在進行高層建筑梁式轉換層的結構設計時，應該最大限度地控制好豎向構件數(shù)量。高層建筑豎向構件越多，需要進行轉換的豎向構件就會越多，轉換層造成的剛度突變就越大，對結構抗震就越不利。

2.2轉換柱、剪力墻對稱布置

在布置轉換柱與剪力墻時，應該采用對稱布置的原則。轉換梁上方的轉換柱盡量布置在轉換梁的跨中位置，這樣當轉換梁出現(xiàn)變形時，轉換柱所受到的影響減為最小。否則轉換柱在梁的帶動下，會出現(xiàn)較大變形，其剪切和彎曲應力對轉換柱可能造成損害。

2.3強化轉換層下部主體結構剛度

為保證下部大空間整體結構有適宜的剛度、強度、延性和抗震性能，需要盡量強化轉換層下部主體結構的剛度，適當弱化轉換層上部的結構剛度，以盡量保證轉換層上下部主體結構的變形及剛度特征接近。通?？刹捎眉哟筠D換層下部主體結構豎向構件的截面尺寸、提高其混凝土強度等級、增加剪力墻等方法，以此來強化下部主體結構的剛度。但在采用增加剪力墻的方法來提高抗側剛度時，要注意整體剛度的均勻分布，保證質量中心與剛度中心盡可能重合，避免由于兩者偏心引起的建筑結構的整體扭轉。

2.4保證轉換層的剛度

轉換層的剛度達不到要求會影響建筑物的抗震效果，因此，帶轉換層結構設計過程中保證轉換層的剛度尤其重要。通常情況下，轉換梁截面高度不宜小于計算跨度的1/8，以有效保證轉換梁結構內力的合理分布，而且也可保證梁上剪力墻柱與轉換梁的受力性能。另外，轉換層樓板厚度適當加厚，混凝土強度適當提高，才能有效提高轉換層的結構剛度。

2.5轉換層位置避免過高

轉換層的位置較高時，易使框支剪力墻結構在轉換層附近的剛度、內力和傳力途徑發(fā)生突變，并易形成薄弱層。如果必須將轉換層設置在高位時，需要對轉換層下部框支結構相同效率的剛度進行有效控制，尤其要控制好軸向變形、剪切、彎曲等結構構件的剛度，這種控制措施有利于降低層間內力發(fā)生突變。另外，在對落地剪力墻的間距進行設計時，應該比底層框支剪力墻的結構設計更加嚴格。

2.6嚴格計算梁式轉換層

轉換層結構是高層建筑結構設計的重中之重，在對其實際受力變形狀態(tài)模型進行計算時，應該采用三維空間整體結構分析方法。必要時可采用有限元方法對轉換結構進行局部補充計算，此時轉換結構以上至少取兩層結構進入局部計算模型，并注意模型邊界條件符合實際工作狀態(tài)。

3梁式轉換層的設計要點

3.1轉換梁的設計

（1）由于上部荷載作用點或荷載作用線經常與轉換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否能滿足，還應在設計之初就盡量使兩者重合，有條件的情況下可設置雙向轉換梁來平衡扭矩。（2）轉換梁截面尺寸一般由剪壓比控制，寬度不小于其上墻厚的2倍，且不小于400mm;高度不小于計算跨度的1/8。（3）轉換梁受力巨大且受力情況復雜，它不但是上下層荷載的傳輸樞紐，也是保證框支剪力墻抗震性能的關鍵部位，是一個復雜而重要的受力構件，因而在設計時應留有較多的安全儲備，轉換梁上、下部縱向鋼筋的配筋率除滿足計算要求外，還應滿足《高規(guī)》最小配筋率的要求。（4）轉換梁受剪很大，在豎向荷載的作用下，轉換梁的梁端最先受到破壞，而且對于這樣的抗震重要部位，更應強調“強剪弱彎”原則，在縱筋已有一定富余的情況下，梁端箍筋更應加強。轉換梁在滿足計算要求的前提下，梁端箍筋加密區(qū)的配箍《高規(guī)》有明確規(guī)定。（5）轉換梁一般為偏心受拉構件，梁中有軸力存在，因而應配置足夠數(shù)量的腰筋。腰筋直徑不小于16mm，沿梁高間距不大于200mm，并且應可靠錨入支座內。

3.2轉換柱的設計

（1）轉換柱截面尺寸主要由軸壓比控制并應滿足剪壓比要求。為保證轉換柱具有足夠延性，對其軸壓比應嚴格控制，對部分因截面尺寸較大而形成的“短柱”，軸壓比的控制應更加嚴格。柱截面延性還與配箍率有密切關系，因而轉換柱的配箍率也比一般框架柱大得多。（2）作為重要的豎向構件，為增加安全性，對轉換柱端剪力及柱端彎矩均要乘以相應的增大系數(shù)。因為程序計算時，一般假定樓板剛度無限大，水平剪力按豎向構件的剛度分配，而底部剪力墻剛度遠大于轉換柱，使得轉換柱剪力非常小，然而考慮到實際工程中樓板的變形以及剪力墻出現(xiàn)裂縫后剛度的下降，轉換柱剪力就會增加，因而《高規(guī)》對轉換柱的剪力增大作了單獨規(guī)定。（3）為了加強轉換層上下連接，轉換柱在上部剪力墻體范圍內的縱筋應伸入上部墻體內不少于一層;其余在剪力墻體范圍外的縱筋則水平錨入轉換層梁板內，滿足錨固要求LaE。

3.3轉換樓板的設計

框支剪力墻結構以轉換層為分界，上、下兩部分的內力分布規(guī)律是不同的。在上部樓層，外荷載產生的水平力大體上按各片剪力墻的等效剛度比例分配;而在下部樓層，由于框支柱與落地剪力墻間的剛度差異，水平剪力主要集中在落地剪力墻上，即在轉換層處荷載分配產生突變。轉換層樓板承擔著完成主體結構上、下部分剪力重分配的任務，并且由于轉換層樓板自身平面內受力很大，而變形也很大，所以轉換層樓板必須有足夠的剛度作保證。

4 結 語

上世紀70年代開始，我國開始將高層建筑梁式轉換層結構作為高層建筑設計的重要內容，提升了建筑結構控制的效益。結構轉換設計完成了對建筑空間的提升，實現(xiàn)了對常用結構形式的靈活連接及轉變，對我國高層建筑安全指標具有非常積極的意義。

參考文獻

[1]謝曉鋒.高層建筑轉換層結構型式的應用現(xiàn)狀及問題[J].廣東土木與建筑.2004（02）.

[2]唐興榮，何若全.高層建筑中轉換層結構的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].蘇州城建環(huán)保學院學報.2001（03）.