浅谈高层梁式转换层结构设计

摘要：随着社会经济的发展，人们生活水平的提高。对建筑本身的功能及结构提出了更高的要求。本文根据笔者多年的设计经验，对梁式转换层结构的设计手法进行探讨，供交流参考。

关键词：高层；梁式转换层；设计方法

Abstract: with the development of social economy, the improvement of people's living standard. The building itself function and structure are put forward higher request. Based on many years' design experience of a beam and type conversion layers structure design technique are discussed, for communion reference.

Keywords: top; Beam type conversion layers; Design method

中图分类号：TU318 文献标识码：A文章编号：

前言

在高层建筑中设置转换层结构,可以实现以下建筑功能:提供大的室内空间或提供大的出入口。从结构的角度可以实现以下结构转换:1)上下层结构类型的转换；2)上下层柱网、轴网（线）的改变；3)同时转换结构形式和竖向构件位置。具体如图1所示。

转换结构形式；2-转换层的结构功能

图1转换层的结构功能

一、结构形式及特点

转换的主要结构形式有:梁柱体系、桁架体系(空腹桁架、斜杆桁架、混合桁架)、墙梁体系等。

结构转换层具有如下特点:

（1）竖向荷载成为控制转换结构构件设计的主要因素；

（2）转换结构构件的竖向挠度成为严格控制的指标；

（3）施工强度大,施工过程复杂；

（4）结构侧向刚度突变,传力途径变化,不能以通常结构进行分析和设计。

二、计算分析

（1）结构类型

实际工程中梁式转换层的应用形式多种多样,从跨数上,可分为单跨、双跨、多跨；从上部墙体布置上可分为满跨和不满跨、开洞和不开洞、开门洞和开窗洞；从转换功能上可分为托墙和托柱；从转换梁的形式上可分为加腋和不加腋；从转换构件材料上可分为钢筋混凝土、型钢混凝土结构等,具体详图2。

图2梁式转换类型

（2）受力特点

①共同工作特性

转换梁主要承受竖向荷载,其受力特征主要表现为在竖向荷载作用下的受力规律。分析表明,转换梁有与其承托的上部结构共同工作的特性,转换梁上部墙体开洞对其内力结果有较大的影响。对托墙型梁式转换层,共同工作的墙体层数与转换层的跨度有关,一般取转换梁附近ln(转换梁净跨)范围内的墙体连同转换梁组成的倒T形深梁与下部一层结构进行内力分析,其计算精度已满足设计要求。对托柱型转换层结构,要使共同工作显著,须防止过分增加大梁和支承柱的截面尺寸,协同工作的显著表现在于转换梁上部结构各楼层梁上的弯矩趋于均匀,轴力的分布则是底层转换梁出现最大拉力,设计中考虑转换梁与上部框架梁共同工作时,转换梁上部框架可作为空腹桁架考虑。

②转换梁受力原理分析

a.转换梁与上部结构整体弯曲变形。

如上所述,转换层与上部结构有共同工作的特点,对托墙情况,转换梁处于整体弯曲的受拉翼缘,若单独分析转换梁,其所受的弯矩由于剪力墙的共同作用而大大降低。同时,由于处于受拉翼缘,应力积分后转换梁中就会出现轴向拉力。这种整体弯曲会随着上部墙肢长度变短而影响范围迅速缩小,当上部墙体为小墙肢时,或对托柱型转换梁,这种影响只限于小墙肢或柱下较小的范围内。

b.转换梁上局部区域传力拱的作用。

如图3所示,由于竖向传力拱作用的存在,使得上部墙体上的竖向荷载传到转换梁时,很大一部分荷载以斜向荷载的形式作用于梁上,若将这斜向荷载分解为垂直和水平等效荷载形式,则垂直荷载作用下的弯矩肯定要比不考虑墙体作用时要小,在水平分力作用下,就形成了转换梁跨中一定区域受轴向拉力而支座区域受轴向压力的现象。

图3转换梁受力原理示意

转换梁的最终受力状态是由上述两个因素综合作用的结果,可以简单解释为:转换梁的轴力由于拱的卸载作用,为由拱以上竖向力沿拱切向分量引起,其值大小与拱高(与转换梁跨度有关)、承托层数有关；由于转换梁与其上部结构共同作用,实际引起转换梁正负弯矩的荷载来自于传力拱以下部分(即转换梁与传力拱中间部分的竖向力全部)及拱上部分竖向力的径向分量,当然其值取决于转换梁跨度及层数。

（3）计算简化

梁式转换层结构的内力计算方法主要有梁杆系模型分析法和有限元模型分析法两种。所谓杆系模型即直接用三维空间分析程序(如TBSA、TAT、SATWE等)进行结构内力整体分析,求得转换梁的内力作为设计依据,转换梁一般按梁杆模型处理,而不考虑转换梁与上部墙体的共同工作。当转换梁截面高度等于或大于层高时,计算时转换梁的位置取在其上皮标高处,下层层高取两层层高之和。

一般梁模型较适用于托柱型转换的计算简化,计算所得的柱端弯矩应乘以修正系数βh=hi-1/(hi-1+hi)(式中hi、hi-1为转换层及下一层层高),而对于托墙型转换,其计算误差较大,这时可在空间整体分析的基础上,将转换梁上部墙体3～4层及下部1～2层的范围取出,对上部墙体及转换梁构成的深梁用高精度平面有限元分析,对下部结构用杆系有限元分析。关于荷载的取用原则,对竖向荷载,计算简图顶部墙体上的竖向荷载取该层上部竖向荷载的累计值,其余各层的竖向荷载采用各自层的竖向荷载。对水平荷载,计算简图顶部墙体上的剪力作为该层的水平节点荷载,该层墙体的弯矩M换算成三角形分布的竖向荷载作用于计算简图顶部墙体上；其余各层则作用相应的水平节点荷载,其数值分别取本层墙体剪力与上层墙体剪力的差值,具体见图4。

竖向荷载；b-水平荷载P=Vi；P′=M/W；Pi=Vi+1-Vi(i=1或2)

图4转换梁计算荷载简图

三、截面设计

（1）设计方法简介

目前结构设计工作中普遍采用的转换梁截面设计方法主要有普通梁法、偏心受拉法、深梁法、应力法四种方法。普通梁法即采用上节中梁杆系模型,根据结构整体计算得出的转换梁内力,按普通梁进行截面设计。对其他几种方法,本简单介绍。

①偏心受拉法

在JGJ3-2002《高层建筑混凝土结构技术规程》中规定框支梁为偏心受拉构件,其截面设计的关键是将有限元分析得到的截面应力换算成截面内力,可按有关文献上的计算公式计算。本文列出沿截面高度方向五等分时其计算方法。

截面网格划分；b-截面应力分布

图5截面应力分布规律

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