高层建筑梁式转换层结构实用设计方法探讨

摘要：结构设计人员一方面应该掌握相关理论；另一方面合理的结构平面和竖向布置可以从整体上形成良好的抗震体系，设计时应不断研究和进行方案比较。本文简介转换层结构产生背景、结构形式及特点等，重点阐述梁式转换层结构受力原理、关键设计。

关键词：转换层结构；梁式转换层；受力原理；关键设计

中图分类号： TU97文献标识码： A

1 带转换层高层建筑的主要结构设计概念

1.1高层建筑转换层的背景及功能

近年来，国内外高层建筑发展迅猛，其建筑向着体型复杂、功能多样的综合性方向发展， 由于多功能需要，在同一个建筑中，沿房屋高度方向建筑功能必定要发生转变的布置方式很好地解决了竖向交通、人流流向等问题，因此得到大量应用。但对结构竖向体系，由于高层建筑下部楼层受力很大，上部楼层受力较小，合理的结构布置应是下部刚度大，墙体多、柱网密，到上部逐渐减少墙、柱的数量及断面尺寸。这样，结构的正常布置与建筑对空间的需求相反，为满足建筑对空间的需求，须在建筑功能发生转变的楼层设置水平转换构件——结构转换层。

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、轴线的改变；3)同时转换结构形式和结构轴线位置。具体如图1所示。

图1转换层的结构功能

1.2结构形式及特点

转换层的主要结构形式有：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。

目前在工程中应用转换层较多的结构形式有：梁式、空腹桁架式、斜杆桁架式、箱形和板式等。其中梁式转换层应用最普遍，它设计和施工简单，受力明确，经济可靠，转换梁可沿纵向或横向平行布置。转换层的常用结构形式详见图2，其中a为斜杆桁架转换；b为空腹桁架转换；c为箱型转换；d为板式转换。

图2 梁式转换层的常用形式

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。

2梁式转换层结构受力分析和设计计算

2.1梁式转换层结构的受力特点

高层建筑转换层是为了传递上部小开间竖向结构的荷载到下部大开间的竖向结构上，从而使整个结构受力变得复杂。在地震作用下，转换层很有可能出现下部承载力不足的薄弱层和下部变形过大的软弱层，所以要解决的转换层结构设计关键问题有：怎样使结构的传力更明确、更直接；结构沿高度上、下刚度的突变如何来克服和改善；怎样合理的布置水平和竖向构件以及转换构件的设计和构造，从概念设计上来改善结构的抗震性能。另外，要注意带转换层的高层建筑结构转换层的位置越高对抗震越不利。

基于目前高层建筑结构在进行结构转换时，转换层结构通常是采用钢筋混凝土梁来实现竖向构件上、下的转换。在结构设计中，通常需要对上部结构进行转换的形式主要有两种：一种是要转换的上部结构为剪力墙，另一种是要转换的上部结构为框架。

2.2梁式转换层结构设计原则

由于将转换层设置在建筑中会使竖向刚度发生改变，导致抗震能力下降，因此，设计转换层的时候，要严格遵循这些设计原则：尽可能选直接落地的竖向构件，需结构转换的竖向构件要少用，否则会使竖向刚度发生突变，降低建筑的抗震能力；在选择转换层的竖向位置时，尽可能选较低的位置；使用传力路径比较明显的换层结构促进结构的分析和工程的实施；对于转换刚度，把握宜大不宜小原则，以减少建筑的刚度突变，保证抗震能力。

3 梁式转换层结构的关键设计

(1) 整体结构进行弹性时程分析补充计算和弹性时程分析校核，注意对整体结构进行重力荷载下准确施工模拟计算。在有抗震设防要求的底部大空间结构中，要设计延性剪力墙结构其主要措施有：加强落地剪力墙的下部，防止剪切破坏和屈服；避免框支层以上的上部墙体中出现塑性铰而引起框支层出现大变形；加强框支柱设计，使其具有足够的安全贮备及延性。转换梁的截面尺寸一般由其剪压比计算确定，且须有合适的含箍率，以避免脆性破坏。转换梁的适宜剪压比限值见表1。

表1 转换梁的适宜剪压比限值

混凝土强度等级 抗震等级 非抗震设计

一级 二级 三级

C30 0.10 0.13 0.15 0.15

C40 0.09 0.11 0.13 0.13

C50 0.08 0.10 0.11 0.12

转换梁一般不宜开洞，若需开洞，洞口宜位于梁中和轴附近洞口上下弦杆必须采取加强措施，增强其抗剪能力。上下弦杆箍筋计算时宜将剪力设计值乘放大系数1.2，当洞口内力较大时，可采用型钢构件来加强。

(2) 转换梁的混凝土强度等级不应低于C30；抗震设计时，特一、一和二级抗震等级分别为0.6%、0.5%和0.4%，转换梁中主筋(纵向钢筋)不宜有接头，否则一般采用机械连接，且同一截面内钢筋接头面积不应超过全部主筋截面面积的50%。非抗震设计时转换梁上下主筋的最小配筋率为0.3%；接头位置应避开上部剪力墙开洞部位、梁上托柱部位及受力较大部位。

(3) 转换梁箍筋要求为：框支梁支座处箍筋应加密，加密区箍筋直径应不小于10mm，间距应不大于100mm。加密区箍筋最小面积含箍率，非抗震设计时应不小于0.9ft/fyv；抗震设计时，特一、一和二级分别应不小于1.3ft/fyv1、2ft/fyv和1.1ft/fyv。

(4) 框支柱的截面一般由其轴压比计算确定，由于结构的竖向构件在转换层处部分终断，必须保证下部结构的抗剪能力，限值框支柱的轴压比抗震设计时，框支柱的内力须按规范进行调整。轴压比限值如表2。

表2 轴轴压比限值

抗震一级 抗震二级

轴压比限值 0.60 0.70

(5) 有地震组合时，一级、二级框支柱承受的地震作用产生的轴力设计计算值应分别乘以1.5，1.2的调整放大系数；框支柱剪力调整后，应相应调整框支柱的弯矩及柱端梁(不包括转换梁)的剪力弯矩，框支柱轴力可不调整。

(6) 框支柱全部纵向钢筋配筋率，抗震等级一级时不小于1.1%，二级时不小于0.9%及非抗震设计时不小0.7%。框支柱箍筋应沿框支层全高加密，加密区体积配箍率不应小于1.5%，非抗震设计时，框支柱宜采用复合螺旋箍或井字复合箍。抗震设计时，转换梁柱的节点核心区应进行抗震验算，节点应符合构造措施的要求，并按构造要求设置水平箍筋、拉筋。

4 结语

当前，高层建筑的功能越来越趋向于多样化、复杂化、全面化，转换层在高层建筑中的应用是不可缺少的。在高层建筑中，转换层的运用突破了常规的设计，促使建筑中各个组成部分的不同功能得以淋漓尽致地发挥。尤其是在带有梁式转换层的高层建筑设计中，转换层设计是结构设计的一个难点更是不同形式结构体系转换的关键点，因此在高层建筑转换层结构的设计中，要结合工程的特点和实际情况，选择合理的转换层结构设计方案，发挥优势，解决问题，提高施工的效率。

参考文献：

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