型钢混凝土转换梁设计问题探讨

【摘 要】随着我国现代高层建筑的发展，在结构与功能方面之间的矛盾越来越突出，采用结构转换层设计可以较好的解决这个问题。本文就型钢混凝土转换梁设计问题进行了探讨，希望对相关施工单位和人员提供一些参考。

【关键词】型钢混凝土；转换梁；设计

1、引言

近年来，我国在建筑业上取得的进步非常快，这也与我国的经济高速发展密不可分，面向商业的现代高层建筑也因为城市运动的发展而备受关注。不同用途的楼层，需要大小不同的开间，采用不同的结构形式。建筑要求上部小开间的轴线布置、较多的墙体，中部办公用房要小的和中等大小的室内空间，下部公用部分，则希望有尽可能大的自由灵活空间，柱网要大，墙尽量少。这种要求与结构的合理、自然布置正好相反，因为结构下部楼层受力很大，即正常应当下部刚度大、墙多、柱网密，到上部逐渐减少。为了满足建筑功能的要求，结构必须以与常规方式相反进行布置，上部小空间，布置刚度大的剪力墙，下部大空间，布置刚度小的框架柱。为此，必须在结构转换的楼层设置转换层，称结构转换层。作为建筑设计师一定要考虑到建筑的实际情况采用符合其工况的转换结构形式。

2、项目概况

2.1 某高层建筑设计情况

某高层建筑地理位置优越，位于A市市中心繁华地段，可谓是商机无限，不过由于A市属于生活气息比较浓郁的城市，城市节奏并不快，商业也比较发达不过这个城市偏向于安静。所以经过最终讨论决定，该建筑要建成一个综合型的商业办公及住宅等多功能混合的综合大型中心。

2.2 转换层形式对比

2.2.1 本工程裙房平面巨大，大裙房上多个功能塔根据建筑功能要求不同特点各有不同，以西塔B1B2栋为例，上部结构功能是办公或住宅的小开间形式如下图。

其下部结构为大空间商业，追求开豁空间感要求无剪力墙等阻隔，如下图。

从上面两图中我们可以发现，无论柱距及使用功能等要求上均存在非常大的差别。上部平面图与下部平面图对比之下：除核心筒和外边缘外，根本不可能做到让上部结构竖向构件直通首层，这样就出现了竖向构件不连续的情况，这个问题的解决只能采用设置转换层才能解决。

2.2.2 结构构件是组成工程结构的基本单元，如梁、柱、压杆、拉杆、缆索、板、壳和块体等。在结构构件中，我们可以发现有多种多样的各具特点的转换形式，在实际使用的时候要根据其特点决定其应用情况。在本工程中，经过分析认为厚板转换比较厚重，在成本的控制上存在比较大的问题，而如果是采用时箱式转换的话在使用功能上又不能满足本工程的需要，基于以上考虑，最后本工程初步选择了两种形式，一种是空腹桁架式转换，另一种是钢筋混凝土转换梁，并且分别对这两种形式做了初步估计对比。通过计算，本工程决定采用钢筋混凝土转换梁。

3、型钢混凝土转换梁基本构造要求

3.1 构造的基本原则

（1）力学模型要与其相符合。对于型钢混凝土梁来说，其余普通的混凝土梁不同的地方就是它在钢筋混凝土中增加了型钢，通过其中混凝土、钢筋、型钢三者的共同作用来实现，要求其变形程度处在一致的水平上。

（2）型钢混凝土的抗震性能较好，要充分发挥其优势。型钢结构科学合理，塑性和柔韧性好，结构稳定性高，适用于承受振动和冲击载荷大的建筑结构，抗自然灾害能力强，特别适用于一些多地震发生带的建筑结构。在型钢混凝土结构中，我们应该充分利用型钢的这些优点将其作为提高结构强度安全的主要途径。当然只有型钢是不可以的，还要和周围的混凝土、钢筋有机结合才能实现。

（3）高层建筑的耐久性和耐火性一定要满足需要。耐久性是材料抵抗自身和自然环境双重因素长期破坏作用的能力。即保证其经久耐用的能力。耐久性越好，材料的使用寿命越长。耐火性是指建筑构件、配件或结构，在一定时间内满足标准耐火试验中规定的稳定性、完事性、隔热性和其他预期功能的能力。对所有的建筑来说，无论是混凝土结构还是钢结构，火灾都是一种威胁。突发火灾对建筑具有灾难性，要求钢材的耐火性比普通钢材胜一筹。钢材在热循环下会出现以下现象：屈服强度降低，颈缩后受拉杆件的断面削弱，框架几何变形的影响，杆件变形的影响。说到底，是钢的高温屈服强度的问题。一般认为，200℃以上钢的弹性模量明显下降，300℃以上钢的屈服强度开始下降。为了防止火灾给钢结构造成破坏，提高钢材自身耐火性，远比采用防火涂料和防火屏蔽要省工省料、增加有效使用面积、减少环境污染。

3.2 材料的选择

（1）Q235钢材由于含碳适中，综合性能较好，强度、塑性和焊接等性能得到较好配合，用途最广泛。常轧制成盘条或圆钢、方钢、扁钢、角钢、工字钢、槽钢、窗框钢等型钢，中厚钢板。大量应用于建筑及工程结构。用以制作钢筋或建造厂房房架、高压输电铁塔、桥梁、车辆、锅 炉、容器、船舶等。Q235A级钢，是不做冲击的，Q235B级，是20度常温冲击；Q235C级，是0度冲击；Q235D级，是-20度冲击；Q235E，是-40度冲击。在不同的冲击温度，冲击的数值也有所不同。就元素含量而言，A、B、C、D硫含量依次递减；A和B的磷含量相同，C的磷含量次之，D磷含量最少。级别越高，抗拉性能越强。所以为了满足高层建筑钢筋韧度的要求，最好是选择C级以上的钢材。

（2）型钢混凝土中，型钢是重要的组成部分，在抗拉强度、伸长率、屈服点、硫磷含量、含碳量等方面必须满足要求。型钢混凝土中所用的型钢属于小型型钢。包括钢筋混凝土用热轧圆钢筋、予应力混凝土用热理钢筋、钢筋混凝土用热轧带筋钢筋。冷带筋钢筋。除圆钢外，其它也称螺纹钢。因为在轧制时钢材表面轧成耳子或螺纹筋，是建筑工业中钢筋混凝土用钢材。钢筋根据材料屈服点和抗拉强度分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级钢筋，上述钢筋都直接使用。予应力混凝土用热处理的钢筋经热处理的螺纹钢筋，强度高，但不适用于焊接和点焊用的钢筋，钢筋由40Si2Mn、48Si2Mn、45Si2Cr等钢经热处理后制成，公称直径6、8.2、10毫米。冷轧带由肋钢筋用Q215、Q235、24MnTi钢制成公称直径4-12毫米。

（3）除了型钢之外，作为型钢混凝土重要组成部分的混凝土的质量控制也非常必要，一般来说，要实现型钢混凝土的结构效果，所使用的混凝土强度等级应该在C30以上。

3.3 一般的构造要求

（1）箍筋是在型钢混凝土梁中需要用到的，地位非常重要，主要是用来满足斜截面抗剪强度，并联结受力主筋和受压区混凝土使其共同工作，此外，用来固定主钢筋的位置而使构件（梁或者柱）内各种钢筋构成钢筋骨架的钢筋。分单肢箍筋、开口矩形箍筋、封闭矩形箍筋、菱形箍筋、多边形箍筋、井字形箍筋和圆形箍筋等。箍筋的这些特性使其有足够的截面承载力，从而可以增加韧度，有效地减少脆性折断的发生，同时在型钢混凝土中还可以起到约束的作用，通常我们在型钢混凝土梁中使用的箍筋应做成封闭箍筋。

（2）型钢应该具有一定的混凝土保护层厚度，这样可以避免型钢发生局部压屈变形，而且混凝土保护层厚度不但可以保证型钢与混凝土之间不会过早发生劈裂破坏，同时也提高了建筑的耐火性和耐久性。混凝土保护层是指混凝土构件中，起到保护钢筋避免钢筋直接的那一部分混凝土，其厚度为纵向钢筋（非箍筋）外缘至混凝土表面的最小距离。保护层最小厚度的规定是为了使混凝土结构构件满足的耐久性要求和对受力钢筋有效锚固的要求。

型钢混凝土的最小保护层厚度，对梁不宜小于100mm，且梁内型钢翼缘离两侧混凝土边缘距离之和b1+b2不宜小于截面宽度b的1/3。

（3）为了满足现代建筑的稳定性方面的需要，在使用型钢时一定不能过量精简型钢的使用量，而且所用的钢材一定要有足够的厚度，太薄的话会减少型钢对型钢混凝土中混凝土和箍筋的约束作用。钢板不易发生局部压屈，因此允许宽厚比可以较钢结构的规定有所放松。型钢混凝土中的型钢板件厚度不宜小于6mm，其宽厚比（图3）应满足要求。

（4）考虑到混凝土转换梁节点的约束作用，在梁体的截面宽度上要加以控制，一般要求是型钢混凝土梁的截面宽度大于等于300mm。

（5）支承加劲肋是在支座或有集中荷载处，为保证构件局部稳定并传递集中力所设置的条状加强件。型钢混凝土梁在支座处和上翼缘有较大固定集中荷载作用时，应在型钢腹板两侧对称设置支承加劲肋。

（6）在型钢的选择上，前面已经提到，最好是采用轧制或焊接型钢型钢，型钢最小含钢率不宜小于2%，小于此值时，可以采用钢筋混凝土梁。型钢最大含钢率不宜大于15%。

（7）存在于型钢混凝土梁内的型钢也有两种形式，一种是实腹式另一种是空腹式，两种型钢的抗拉力值有比较大的区别，如果在地震易发地带必须要使用实腹型钢，这也是抗震设防的必然要求。

4、转换层结构形式的最后定型

在这个方向上进行更细致的计算及定型，以西塔B1～B2为例，办公楼部分结构体系采用梁式框支剪力墙结构。塔楼中间电梯及楼梯部位布置剪力墙核心筒，筒体完整，空间作用强，作为主要抗侧力体系，以抵抗水平风荷载及水平地震力的作用，同时提供结构较大的抗扭刚度。在标准层，除核心筒外还布置有剪力墙。在转换层以下，核心筒以外布置有较大截面的框支柱，局部还加设了非落地剪力墙。通过初步对比和计算，最后还发现钢筋混凝土转换梁的局部几根转换梁的延性不足，采取了加钢骨的措施，然后框支柱也采用了钢骨框支柱加强。最后转换层基本定型为钢筋混凝土转换梁和型钢钢筋混凝土转换梁结合的梁板结构的梁式形式。

5、结束语

现代高层建筑的复杂使得我们在设计时一定要尽可能的考虑周全，而且要满足建筑的美观以及结构表现，在我们所使用的转换层结构来说，因为需要考虑到竖向力的承载和传递，必须要保证这种力量传递的准确性，而且还应该保证建筑的成本控制在合理的范围之内。对于型钢混凝土梁，一定要考虑到延性、抗拉度等方面的影响，使之实现建筑的应有功能。

参考文献：

[1]娄宁，魏琏，丁大钧.高层建筑中转换层结构的应用和发展[J].建筑结构，2007，1.

[2]中华人民共和国行业标准，型钢混凝土组合结构技术规程（JGJ138-2001），北京.

[3]谢晓锋.高层建筑转换层结构型式的应用现状及问题[J].广东土木与建筑，2004，2.

[4]李豪邦.高层建筑中结构转换层的新形式一一斜柱转换[J].建筑结构学报.2007，2.

[5]茅赞川，尤亚平.高层建筑V形柱式结构转换[J].建筑科学，2001，2.