高层建筑梁式转换层结构设计新探

摘要：随着社会的发展，建筑越来越倾向于高层，并且复杂化，因此产生了多种多样的结构形式，其中，转换层设计就是其中之一。本文简要地介绍了梁式转换层结构设计原则，并结合实际工程对梁式转换层进行了简单的分析与探讨，可供设计参考。

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

引言：高层建筑的转换层的设计是一项综合性的复杂工程，在设计过程中要结合工程的特点和实际情况，通过对建筑全方位的研究计算和分析，选择合理的转换层结构设计方案，发挥优势，解决问题，才能提高设计和施工的效率。

1设计原则

高层建筑中转换层的设置会造成竖向构件的不连续而产生刚度突变，地震作用下会在转换层上下形成薄弱环节，对结构抗震极为不利，所以转换层的结构设计必须遵循以下一些相关规定：

（1）在转换层设置在第2层以上时，为防止在地震作用下转换层形成薄弱层，应使γ1≥0.6，γe2≥0.8，才能保证在水平荷载作用下，转换层上、下部楼层侧向刚度不致相差过大，使上柱有良好的抗侧力性能，确保构件的整体受力稳定。

γ1=ViΔi+1/Vi+1Δi（1）

γe2=Δ2H1/Δ1H2（2）

式中：γ1—楼层侧向刚度比；

Vi、Vi+1—第i层和第i+1层的地震剪力标准值（kN）；

Δi、Δi+1—第i层和第i+1层在地震作用标准值作用下的层间位移（m）；

γe2—转换层下部结构与上部结构的等效侧向刚度比；

H1—转换层及其下部结构的高度；H2—转换层上部若干层结构的高度；

Δ1—转换层及其下部结构的顶部在单位水平力作用下的侧向位移；

Δ1—转换层上部若干层结构的顶部在单位水平力作用下的侧向位移。

（2）在设计中应保证转换梁具有足够的刚度，一般要求转换梁截面高度不宜小于跨度的1/8，托柱转换梁截面宽度不应小于其上所托柱在梁宽方向的截面宽度。

（3）尽量多布置落地竖向构件，减少转换构件，转换层造成的刚度突变就少。

（4）转换层位置不宜过高，否则会造成内力突变进一步加剧。所以转换层设置高度8度时不宜超过3层，7度时不宜超过5层，6度时可适当提高。

（5）转换层上部的竖向抗侧力构件宜直接落在转换层的主要转换构件上；复杂的传力路径会加大转换梁的剪力、扭矩与弯矩。

2设计实例

本工程位于某市中心城区，是商住合为一体的高层建筑，建筑物总高为65.4m,其中地下1层，主要用途为汽车库和设备用房;1～3为商业用途;4～20层为住宅楼。

2.1结构选型

因为该工程为商住混为一体的综合性建筑,住宅楼部分分隔空间较多,所以采用剪力墙结构;而底部商业楼需要用到大空间结构,就要将剪力墙结构中的部分剪力墙改为框架结构。这种上部为剪力墙结构,底部为部分框架的剪力墙为框支剪力墙结构。当住宅楼部分剪力墙不能从上到下贯通到基础时，应设置转换层。

不同类型的转换层结构优缺点对比如下：（1）梁式转换层的设计和施工均较为简单,传力较为明确,是目前应用最为广泛的转换型式。它的缺点在于，当上下轴线错位布置时，需增设较多的转换次梁，空间受力较为复杂，此时应对框支主梁进行应力分析。（2）箱式转换结构的优点在于,转换梁的约束强,刚度大,整体工作效果好,上下部传力较为均匀,并且建筑功能上还可将其作为“设备层”；缺点是转换梁梁中开设备洞较多，施工复杂,且造价较高。（3）厚板式转换层的优势在于,下部柱网受上部结构布局影响较小,可灵活布置，厚板刚度很大,形成一个承台,整体性较好,而且施工也较为便捷，但由于厚板自重很大,地震作用也大，容易产生震害，并且材料耗用多,经济性也较差。（4）桁架式转换层的框支柱柱顶弯矩和剪力比其他几种转换型式相对较小，但此法施工复杂程度较高,且对于轴线错位布置时难度较大。

对上述各种结构进行综合分析，梁式转换结构相对其它几种更为经济、可靠，所以该工程选用了带梁式转换层的框支剪力墙结构。

2.2抗震等级的确定

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010），本工程为丙类建筑，高度65.4m，所处地区地震设防列度为7度，根据表3.9.3得知框支框架及底部加强部位的剪力墙抗震等级均为二级。又根据10.2.6条对部分框支剪力墙结构，当转换层的位置在3层及3层以上时，其框支柱、剪力墙底部加强部位的抗震等级需提高一级采用。因本工程转换层位置处于结构3层，已属于“高位转换”，根据规范要求，该框支框架与底部加强部位的剪力墙抗震等级均为一级。

2.3转换层结构布置

由于上部的住宅楼需分隔空间较多，一次转换难以满足建筑功能的需求，因此本商住楼设置了主梁与次梁的二次转换，转换层结构平面布置图如下图所示：

2.4构造措施

对整体结构进行概念分析的基础上还需采取必要的构造措施以满足结构抗震设防的要求。本工程采取的构造措施如下：

（1）加强底部框支层的刚度与延性。转换层以下剪力墙与框支柱混凝土等级均取C40；底部剪力墙厚度取350mm，而核心筒部分的厚度则取400mm，并尽量不开洞或开小洞为宜，以免削弱底部结构刚度。考虑到本工程结构不规则，整体性较差，因此在满足建筑使用功能的前提下尽量布置多些落地剪力墙，减少转换构件，还使质心与刚心尽量重合，使其满足转换层结转换层上下楼层侧向刚度比与转换层等效侧向刚度比的要求。

（2）加强转换层楼板的刚度和延性。由于转换层楼板是框支剪力墙结构的分界，上下两部分的受力性能差异较大。上部各片剪力墙结构在外部荷载的作用下基本是按等效刚度比例分配，受力性能效好；而下部框支柱与落地剪力墙由于性能的不同使水平剪力主要集中在落地剪力墙上，即在转换层处荷载分配产生突变，容易造成薄弱层。所以为了确保水平荷载的可靠传递，转换层楼板采用了C35混凝土，楼板厚度为200mm，钢筋采用高强度HRB400级钢筋双层双向布置，配筋率满足每层每向大于0.25%的要求。

（3）结构计算。对于复杂高层建筑，合理选择计算软件在设计过程中非常重要。为了确保计算结果的可靠性，本工程主要应用中国建筑科学研究院编制的2010版PKPM-SATWE进行计算，并用北京迈达斯技术有限公司编制的Midsabuilding2012进行复核。转换层作为整个结构的一个重要组成必须采取符合实际受力变形状态的计算模型进行三维空间整体结构受力分析，并对转换层结构进行局部补充计算。为了保证转换梁柱的传力可靠，转换梁柱中线宜重合；本工程转换梁截面主要为400mmx1200mm，450mmx1500mm，500mmx1500mm几种尺寸，满足规范转换梁截面高度不宜小于计算跨度的1/8，框支梁截面宽度不宜大于框支柱相应方向的截面宽度，且不宜小于其上端截面厚度的2倍和400mm的较大值的要求；框支柱主要为700mmx900mm，800mmx800mm，800mmx1000mm几种尺寸，满足柱轴压比与规范要求的抗震设计时宽度不宜小于450mm，高度不宜小于转换梁跨度的1/12要求。对于带转换层的复杂高层建筑，除了需考虑扭转耦联作用外，还需考虑模拟施工加载。

3结语

由于带转换层结构的高层建筑理论方法还在不断完善研究之中，因此在结构设计中我们要不断对方案进行对比分析，合理选择转换层结构类型，严格按照相关规范进行概念设计，才能实现建筑经济、合理、安全等综合目标。

参考文献：

[1]JGJ3—2010.高层建筑混凝土结构技术规程

[2] 唐兴荣.高层建筑转换层结构设计与施工 [M].北京:中国建筑工业出版社,1999.