梁式转换层高层建筑的结构设计探讨

【摘 要】本文归纳总结了转换层结构设计的基本原则，并在此基础上概括总结了转换梁的结构设计和构造要求，谨供大家做参考之用。

【关键词】梁式转换；复杂高层建筑；基本原则；结构设计

1 前言

带有转换层的结构是一种非常规的的结构形式，由于竖向传力构件不连续，因此要通过转换层将不落地构件传来的荷载可靠地传递给周围的落地构件，在强烈的地震作用下，转换层传递很大的水平剪力，转换构件受力复杂，如果设计不当，将会危及结构的安全。设计时要慎重对待，采取合理的措施保证结构的可靠性。

2 转换层结构设计的基本原则

结构设计首先应该考虑选择合适的建筑形体，建筑平面和立面应满足规则、连续与渐变的要求；其次结构布置时考虑传力途径明确、简洁，尽可能地避免复杂结构形式和形体。

具有转换层结构的结构形式是一种受力复杂、主要抗侧力构件沿结构竖向布置不连续、非常不利于工程抗震的一种结构形式。《高规》第10.1.2、第10.1.4 条明确规定：“9 度抗震设计时不应采用带转换层的结构、带加强层的结构、错层结构和连体结构”；对此类结构的平面布局也提出了宜规则的要求：“7 度和 8 度抗震设计的高层建筑不宜同时采用超过两种复杂结构”。本文建议遵循以下设计原则：

①减少转换：布置转换层上下主体竖向结构时，要注意尽可能多的布置成上下主体竖向结构连续贯通，尤其是在核心筒框架结构中，核心筒宜尽量予以上下贯通。

②传力直接、受力明确：布置转换层上下主体竖向结构时，要注意尽可能使水平转换结构传力直接，尽量避免多级复杂转换，更应尽量避免传力复杂、抗震不利、结构质量大的厚板转换，避免高位转换。

③有可靠的承载力：转换层承受的力，尤其是竖向集中力非常大，这就要求转换层有较高的承载能力。所以，一般的转换大梁截面高度大，有时可达 1～2 个楼层高，另外，《高规》第 10.1.6 条规定：“结构转换层混凝土强度等级不应低于C30”。

④有足够的竖向刚度和水平刚度；转换层中梁的跨度大，有时是上部梁跨度的好几倍，故而，转换层必须具备足够的竖向刚度，同时也要有足够的水平刚度，以保证实现楼盖在水平面内不变形的假定。

⑤强化下部、弱化上部为保证下部大空间整体结构有适宜的刚度、强度、延性和抗震能力，应尽量强化转换层下部主体结构刚度，弱化转换层上部主体结构刚度，使转换层上下部主体结构的刚度及变形特征尽量接近。

⑥优化转换结构抗震设计时，由于建筑功能的需要而不得已采用高位转换时，转换结构还宜优先选择不致引起框支柱(边柱)柱顶弯矩过大、柱剪力过大的结构形式，如斜腹杆桁架(包括支撑)、空腹桁架和宽扁梁等，同时要满足强度、刚度要求，避免脆性破坏。

⑦计算全面准确：将转换结构作为整体结构中一个组成部分，采用符合实际受力变形状态的正确计算模型进行三维空间整体结构计算分析。采用有限元方法对转换结构进行局部补充计算时，转换结构以上至少取 2 层结构进入局部计算模型，同时应计入转换层楼盖平面内刚度，采用比较符合实际边界条件的正确计算模型。

⑧整体结构宜进行弹性时程分析补充计算和弹塑性时程分析校核，应注意对整体结构进行重力荷载下的施工模拟计算。

⑨ 跨度大于8m 的转换结构，8度抗震设计时，应考虑竖向地震作用。

3 转换梁结构设计

3.1 转换梁的截面设计方法

目前国内结构设计工作普遍采用的转换梁截面设计方法主要有:

①普通梁截面设计方法

直接取用高层建筑结构计算分析程序(如 TBSA、PKPM 系列、TAT 等)计算出的转换梁内力结果，按普通梁进行受力构件承载力计算。

②偏心受拉构件截面设计方法

在《高层建筑混凝上结构技术规程》(JGJ3-2002)中，规定“框支梁为偏心受拉构件，按《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)第 7.4.2 条的规定设计”，即偏心受拉构件进行截面设计。

按偏心受拉构件进行截面设计的关键是如何将有限元分析得到的转换梁截面上的应力换算成截面内力，但这是一种比较麻烦的事情。分析表明，根据转换梁的截面内力(M、N)按偏心拉构件进行正截面承载力计算，根据(V)进行斜截面受剪承载力计算。在没有条件对梁式转换层结构进行有限元分析时，可采用有关表格计算转换梁的截面内力。

③深梁截面设计方法

实际工程中转换梁的高跨 h/l=1/8～1/6，因此转换梁是一种介于普通梁和深梁之间的梁，尤其是框支转换梁，其受力和破坏特征类似于深梁。

当转换梁承托的上部墙体满跨或基本满跨时，转换梁与上部墙体之间共同工作的能力较强，此时上部墙体和转换梁的受力如同一倒 T 形深梁，转换梁为该组合深梁的受拉翼缘，跨中区存在很大的轴向拉力，此时转换梁就不能按普通梁进行截面设计，但如果将倒 T 形深梁的受拉区部分划出来按偏心受拉构件进行截面设计，计算出的纵向受力钢筋的配筋量偏少，不满足承载力的要求。

根据圣维南原理，影响转换梁受力特征的墙体高度应和转换梁的跨度有关，转换梁跨度越大，上部墙体的高度就应取得越高。分析表明：当转换梁承托的上部墙体满跨或基本满跨时，转换梁与上部墙体之间共同工作的能力较强，此时上部墙体和转换梁的受力特征如同一倒 T 形深梁，转换梁为该组合深梁的受拉翼缘，跨中存在很大的轴向拉力，此时转换梁宜按倒 T 形深梁进行截面设计。

④应力截面设计方法

对转换梁进行有限元分析得到的结果是应力及其分布规律，为能直接应用转换梁有限元法分析后的应力大小及其分布规律进行截面的配筋计算，假定：

1)不考虑混凝土的抗拉作用，所有拉力由钢筋承担；

2)钢筋达到其屈服强度设计值；

3)受压区混凝土的强度达到轴心抗压强度设计值。

⑤ 转换梁截面设计方法的选择

转换梁截面设计方法的选择与其受力性能和转换层的形式相关。