论某高层建筑梁式转换层结构设计

【摘要】本文分析了高层建筑梁式转换层结构设计发展现状，分析了高层建筑结构转换层的特点。然后，对梁式转换层结构结构形式和受力机理进行了分析。接着，提出了高层建筑梁式转换层结构设计的计算要求，最后，本文例举设计实例。

【关键词】高层建筑；梁式；转换层；结构；设计

中图分类号： TU97文献标识码：A 文章编号：

一、前言

高层建筑的建设中，梁式转换层结构设计是一个很关键的环节，对高层建筑起着很关键的作用，因此，我们要研究其设计的科学的方法，提高设计水平。

二、发展现状

目前我国设计领域对转换层结构的分析,主要是通过有限元程序计算,根据一些工程实践的经验总结,对框支剪力墙结构中框支梁的受力特征有了较为全面的认识,获得了可靠的设计依据。但对如何准确建立带转换层的高层建筑结构考虑地震作用的计算模式有待进一步研究;对转换层结构施工中的力学问题及过度受力问题考虑不足,如施工支摸和拆除方案对下部楼板及梁的承载力的影响,转换构件与若干层结构共同工作的情况及相应的设计措施等。

近年来新型转换结构层出不穷,如钢骨混凝土转换结构、预应力混凝土转换结构的应用,斜向支撑、多道转换的应用,以及巨型框架结构、错列体系的出现等不一而足。

三、高层建筑结构转换层的特点

1、钢骨混凝土转换层钢骨混凝土梁不仅承载力高，刚度好，可大大减小截面尺寸，且塑性、耐久性和抗震性能优于钢筋混凝土梁。此外，钢骨混凝土梁在施工阶段其自身刚度好，定位准确，可减少支模，加快施工速度。目前，国内采用钢骨混凝土转换构件的实际工程还不多，但国外采用较多。

2、预应力混凝土转换层的应用

采用预应力技术可带来许多结构和施工上的优点，如减小截面尺寸、控制裂缝和挠度，控制施工阶段的裂缝及减轻支撑负担等等。因此，预应力混凝土结构非常适合于建造承重荷载的大跨度转换层，且有自重轻，节省钢材和混凝土等优点。

四、梁式转换层结构结构形式和受力机理分析

1、梁式转换层结构形式

实际工程中应用的梁式转换层结构有多种形式，主要原理就是利用下部的转换大梁来支托上部结构，根据其受力特点可分为以下几种形式：

2、梁式转换结构受力机理分析

梁式转换层结构的传力途径为墙—梁—柱（墙）的形式，传力直接，便于分析计算。转换大梁的受力主要受上部剪力墙刚度、剪力墙与转换大梁的相对刚度和转换大梁与下部支撑结构的相对刚度影响。为弄清转换梁结构与上部墙体共同工作的性能，我们知道，对一般结构转换大梁（跨度小于12m），上部墙体考虑三层与考虑4层、5层内力的设计控制内力差异不大于5%，故在分析计算时可只考虑计算3层。从计算分析不论转换大梁上部墙体的形式如何，只要墙体有一定长度，转换大梁中的弯矩就会比不考虑上部墙体作用要小，同时转换大梁也会有一段范围出现受拉区。

五、计算要求

1、整体结构分析计算

高层建筑结构中，转换层只是其中的一个部分，在进行内力分析前，必须先对整个结构做整体计算分析。可分别按空间协同工作分析方法和三维空间分析方法进行整体内力与位移计算，此时转换构件可作为结构的一部分参与整体计算.由于带转换层的结构，结构布置沿竖向变化明显，竖向刚度不均匀，故结构布置时需运用概念设计、力学原理、以往工程的经验、工程试验的结果等综合考虑布置加强点及冗余杆件。此类工程结构计算时多选用三维分析、协同工作和平面有限元等结构软件加以计算。

2、转换层分析计算

整体计算完毕后对转换层本身应采用平面有限元计算软件做局部应力的补充计算。进行局部分析时，应考虑转换结构上下楼层是否进入局部计算模型，以及楼层楼盖平面内刚度影响，注意实际结构的三维空间盒子效应，采用符合实际情况的正确计算模型。框支剪力墙的计算较为复杂，上部剪力墙需与下面多根柱相连接，如果连接不当会产生很大的计算误差。空间分析程序是以梁柱为基本单元，而分析底部框支剪力墙时，剪力墙作为柱单元考虑。

3、转换大梁的设计

梁式转换层的设计构造要求：

（一）转换层楼板要将上层结构的水平剪力传递到下层抗剪结构上去，本身承受很大的平面内剪力，同时又承受部分竖向荷载，因此要求楼板要有足够的强度和刚度。

（二）转换层大梁是承托上部剪力墙或柱传下来竖向荷载的重要构件，本身受力很大，它是整个结构抗震安全的关键部位。因此，转换大梁的设计在整个转换层结构的设计中至关重要。

六、设计实例

1、工程概况

某高层建筑，地下1层，地上22层，总建筑面积为25840m2。1～4层为商业用房，1层层高5.10m，2～4层层高4.10m，采用框架-筒体结构。5～22层为住宅，层高3.10m，采用剪力墙-筒体结构。这样需要在第4层与第5层之间设置结构转换层，同时兼作设备层。

2、结构转换层方案

转换层的结构形式可以采用梁式、桁架式、板式、箱形等，这些转换层都可以形成大空间，实现结构类型或轴线的转变。其中梁式转换层受力明确设计和施工相对简单，应用最为广泛；同时，在转换梁受力较小部位可以开设合适的洞口，容易满足建筑功能和设备管线布置的要求。因此，本工程采用梁式转换层。转换层的层高2.15m，转换梁上、下端与楼板相连，上层楼板厚200mm，下层楼板厚300mm。转换梁承托上部剪力墙，转换层结构混凝土强度等级为C40。转换梁的截面尺寸可按式1确定：

式中：Vmax—转换梁截面组合的最大剪力设计值；

βc—混凝土强度影响系数；

YRE—构件承载力抗震调整系数；

fc—混凝土轴心抗压强度设计值；

b—转换梁截面宽度；

h0—转换梁截面有效高度。

3、转换梁设计

转换梁承托上部剪力墙，受力很大，是保证结构安全的关键结构构件。转换梁跨度8.05～9.0m，截面高度2.5m，跨高比3.22～3.6，属连续短梁。我国混凝土结构设计规范（GB50010-2002）没有明确给出其承载力计算方法，为此，进行了两跨连续短梁的试验研究。

试验梁是转换梁的1/5缩尺模型，试验研究结果表明：

（1）正截面平均应变基本符合平截面假定。

（2）斜裂缝首先在加载点至中支座的内剪跨区段的梁腹中部出现，属腹剪斜裂缝，并最终发展为临界斜裂缝。

（3）根据底部纵筋和顶部纵筋沿梁长方向的应变分布。可见，纵筋沿梁长方向的应变分布，在斜裂缝出现前，与弯矩图是一致的；在斜裂缝出现后，则与弯矩图存在较大差别，说明梁内产生了较大的应力重分布；至梁接近破坏时，底部纵筋沿梁长全部处于受拉状态，顶部纵筋在内剪跨内也基本处于受拉状态。

（4）试验梁破坏时，内剪跨区段内，穿越临界斜裂缝的箍筋受拉屈服，剪压区混凝土压疏；加载点至边支座的外剪跨区段内，穿越斜裂缝的箍筋应变约为屈服应变的53%，剪压区混凝土没有压疏。

（5）试验梁破坏时，穿越临界斜裂缝的水平腹筋的拉应变约为屈服应变的50%，可见，水平腹筋没有充分发挥其强度。

（6）试验梁的最大相对挠度f/l=3.42/1800=1/526，说明转换梁有足够的抗弯刚度。

4、承载力计算

转换梁斜截面受剪承载力主要由混凝土和箍筋承担，水平腹筋对斜截面受剪承载力有一定贡献，约占11%。因此，可不考虑水平腹筋的作用，将其作为安全储备。建议斜截面受剪承载力按下面公式计算:

式中：λ———计算剪跨比；

f1—混凝土抗拉强度设计值；

fyv—箍筋抗拉强度设计值；

Asv—配置在同一截面内箍筋各肢的全部截面面积；

s—箍筋的间距；

b—转换梁截面宽度；

Ho—转换梁截面有效高度。

七、结束语

高层建筑梁式转换层结构设计需要我们的设计人员按照科学的方法展开设计工作，只有合理、科学的设计才能够提高高层建筑的设计质量，从而提高高层建筑整体质量水平。

【参考文献】

[1] 李镇华.高层建筑转换层设计应用[J]. 福建建筑. 2006(02)

[2] 梁炯丰.高层建筑转换层结构的概况和发展[J]. 山西建筑. 2006(04)

[3] 祝伟昌,刘代平.浅谈转换层结构设计和施工[J]. 广西大学学报(自然科学版). 2005(S1)