高層建筑梁式轉換層結構設計分析

馮豪

摘要：梁式轉換層結構是目前高層建筑中使用最多的轉換層結構形式，文章結合工程實例，探討了梁式轉換層結構的設計要點．以及構件設計。

關鍵詞：高層建筑；梁式轉換層；框支柱設計

1前言

近年來，隨著城市建設的日新月異，各種功能多樣化、綜合化、全面化的，體型復雜化的高層建筑成為發展趨向。梁式轉換層結構以其施工方便、傳力直接、明確和清楚等優點，已作為實現垂直轉換的結構形式在高層建筑中被廣泛應用。

2 高層建筑結構轉換層的特點

轉換結構構件需要承受其上部結構所傳下來的巨大豎向荷載或懸掛下部結構的多層荷載，使得轉換結構構件的內力很大，豎向荷載成了控制轉換結構構件設計的主要因素。轉換結構構件通常具有數倍于上部結構的跨度，轉換結構構件的豎向撓度成為嚴格控制的目標。因此為保證轉換結構有足夠的強度和剛度，致使結構構件的截面尺寸不可避免地高而大。

結構中由于設置了轉換層，沿建筑物高度方向剛度的均勻性會受到很大的破壞，力的傳遞途徑有大的改變，為豎向不規則結構，這決定了轉換層結構不能以通常結構來進行分析和設計。豎向不規則結構的定義見抗規第3．4．2條規定，豎向不規則的類型見表1。

表1 豎向不規則的類型

不規則類型 定義

側向剛度不規則 該層的側向剛度小于相鄰上一層的70%，或小雨其上相鄰三個樓層側向剛度平均值的80%；除頂層外，局部收進得水平向尺寸大于相鄰下一層的25%

豎向抗側力構建不連續 豎向抗側力構建（柱、抗震墻、抗震支撐）的內力由水平轉換構建（梁、析架等）向下傳遞

樓層承載力突變 抗側力結構的層間受剪承載力小于相鄰上一樓層的80%

3轉換層的結構布置

底部帶轉換層的建筑結構，轉換層上部的部分豎向構件不能直接連續貫通落地，因此，必須設置安全可靠的轉換構件。按現有的工程經驗和研究結果，轉換構件可采用轉換大梁、析架、空腹析架、斜撐、箱形結構以及厚板等形式。

由于轉換厚板在地震區使用經驗較少，可在非地震區和6度抗震設計時采用，對于大空間地下室，因周圍有約束作用，地震反應小于地面以上的框支結構，故7度，8度抗震設計時的地下室可采用厚板轉換層。

落地剪力墻和框支柱的布置對于防止轉換層下部結構在地震中倒塌將起十分重要的作用。

高規規定了幾條重要原則：帶轉換層的簡體結構的內筒應全部上、下貫通落地并按剛度要求增加墻厚；框支剪力墻結構要有足夠的剪力墻上、下貫通落地并按剛度比要求增加墻厚；長矩形平面的框支剪力墻結構，抗震設計時，其落地剪力墻的間距按原規程適當加嚴，比原規程增加了限制落地柱周圍的樓板不應錯層的規定。

這幾點的原則是防止轉換層下部結構破壞的基本要求，特別是對于抗震設計的結構，要求更加嚴格。

遵守這些原則就可控制剛度突變，減少內力傳遞的突變程度縮短轉換層上、下結構內力傳遞途徑，保證轉換層樓蓋有足夠的剛度以傳遞不同抗側力結構之間的剪力，防止框支柱因樓蓋錯層發生破壞。

框支剪力墻轉換梁上一層墻體內不宜設邊門洞、中柱上方不宜設門洞。試驗研究和計算分析說明，這些門洞使框支粱的剪力大幅度增加，邊門洞小墻肢應力集中，很容易破壞。此外，落地剪力墻和簡體的洞口宜在墻體的中部，以便使落地剪力墻各墻肢受力(剪力、彎矩、軸力)比較均勻。

4 梁式轉換層結構的設計

4．1 框支柱的設計

有地震組合時，一級、二級框支柱承受的地震作用產生的軸力設計計算值分別乘以1．5O，1．25的調整放大系數：框支柱承受的地震剪力標；隹值應按下列規定采用：框支柱的數目多于10根時，當框支層為1～2層時，每層每根柱承受的剪力之和應取基底剪力的20％ ；當框支層為3層及3層以上時，每層框支柱承受剪力之和應取基底剪力的30％ ；框支柱剪力調整后，應相應調整框支柱的彎矩及柱端梁的剪力、彎矩，框支柱軸力可不調整：而當框支柱的數目不多于10根時，當框支層為1～2層時，每層第根柱承受的剪力應至少取基底剪力的2％ ：當框支層為3層及3層以上時，各層每根柱所受的剪力應至少取基底剪力的3％。

4.2 框支梁的設計

框支梁截面尺寸一般由剪壓比控制，寬度要大于其上墻厚的2倍，且大于400mm；高度大于計算跨度的1／6。工程框支梁梁寬統一定為800mm?？蛑Я菏芰薮笄沂芰η闆r復雜，它不但是上下層荷載的傳輸樞紐，也是保證框支剪力墻抗震性能的關鍵部位，是一個復雜而重要的受力構件，因而在設計時應留有較多的安全儲備，二級抗震等級的框支梁縱筋配筋率大于0．4％。框支梁在滿足計算要求下，配筋率大于0．8％?？蛑Я阂话銥槠氖芾瓨嫾?，梁中有軸力存在，因而應配置足夠數量的腰筋。

4．3 轉換層樓板的設計

框支剪力墻結構以轉換層為分界，上下兩部分的內力分布規律是不同的。在下部樓層由于框支柱與落地剪力墻間的剛度差異，水平剪力主要集中在落地剪力墻上，即在轉換層處荷載分配產生突變；而在上部樓層，外荷載產生的水平力大體上按各片剪力墻的等效剛度比例分配。轉換層樓板承擔著完成上下部分剪力重分配的任務；由于轉換層樓板自身平面內受力很大，而變形也很大，所以轉換層樓板必須有足夠的剛度作保證。

5設計實例

5．1 工程概況

某綜合大廈，總建筑面積為28000m2，地下室1層，地上22層。其中1—4層為商業樓層，1層層高是5.1 m ，2～4層層高均是4．2m，5～22層為住宅，層高均為3m。4層設置結構轉換層兼設備層，轉換層以上為住宅樓(純剪力墻結構)，以下為框架一剪力墻結構。該建筑位于六度抗震區，建筑場地為II類。

本工程采用中國建筑科學研究院PKPM—SATWE程序進行結構設計和受力分析。

5.2 梁式轉換層結構的設計要點

5．2．1 結構平面布局為了提高其抗震能力，改善結構的受力性能，對于有抗震設防要求的建筑，為了改善結構的受力性能，提高其抗震能力，在對有抗震設防要求的建筑進行結構平面布置時，可以將一部分剪力墻落地，并貫通至基礎，做成框支墻與落地剪力墻協同工作的受力體系。

該工程上部為純剪力墻結構，底部為體型規則、簡單的框架—— 剪力墻結構。

南北向剛度中心與質量中心偏差不超過2米，東西向完全對稱，為了增強抗扭效果，除核心筒外的其余剪力墻應盡量沿周邊均勻、分散布置。

5．2.2 結構豎向布置 高層建筑的豎向體型宜規則、均勻，避免有過大的外挑和內收，可根據其建筑功能和結構傳力的需要，沿高層建筑高度方向一處或多處靈活布置；也可以按照建筑功能需要，在樓層局部布置轉換層。對于框支剪力墻結構高層建筑7度區不宜在第五層以上設置轉換層，8度區不宜在第三層以上設置轉換層?？拐鹪O計的高層建筑結構，其樓層側向剛度不宜小于相鄰上部樓層側向剛度的70％ 或其上相鄰三層側向剛度平均值的80％。

該工程的豎向布置設計遵循“強化下部，弱化上部”的原則。盡量減少轉換層上部剪力墻數目，控制剪力墻厚度。轉換層以下剪力墻中，核心筒部分的厚度取為40mm，其余部分的厚度取為35Omm。為了增強底部剛度，在底部增設部分剪力墻，且還要讓核心筒兩側各有一片剪力墻落地?？蛇x用C50混凝土，以提高底部柱、墻混凝土強度等級。

5．2．3 抗震等級的確定抗震等級是根據建筑物設防烈度和建筑物使用功能的重要性確定的，根據《建筑抗震設防分類標準》(GB50223)的規定，建筑工程分為四個抗震設防類別：特殊設防類(甲類)、重點設防類《乙類)、標準設防類(丙類)、適度設防類《丁類)。當剪力墻轉換層結構設置在三層以上時，為了保證設計的安全性，框支柱、剪力墻底部加強部位的抗震等級應提高～ 級。另外，在8度抗震設計時，還應考慮豎向地震作用的影響。

按照現行規范，結合該工程的結構特點，該工程各部位的抗震等級設計見表1：

表1 抗震等級的設計

構建名稱 梁、柱 剪力墻

框支梁、框支柱及1-6層與框支柱相連的框架梁 地下二層梁、柱 裙房及地下一層框架梁、柱 地下二層 地步加強部位

轉換層以上兩層以下 轉換層以上兩層以下 非底部加強部位

抗震等級 特一級 三級 一級 三級 特一級 一級 二級

5．3 轉換層結構構件設計

5．3．1 框支柱的設計框支柱的設計軸壓比控制著框支柱截面尺寸，而且還滿足剪壓比要求。高層建筑結構抗震設計時，框支柱的柱頂彎矩應乘以放大系數，其配筋應按放大后的彎矩設計值進行。另外，框支柱承受的地震剪力標準值如下：框支柱大于十根時，如果框支層為一至二層時，每層每根柱承受的剪力之和就取基底剪力的20％：如果框支層在三層及三層以上時，每層框支柱承受剪力之和則取基底剪力的3O％；框支柱剪力調整后，應相應調整框支柱的彎矩及柱端梁的剪力、彎矩，框支柱軸力可不調整：而框支柱在十根及十根及十根以下時，如果框支層為一至二層時，每層第根柱承受的剪力至少取基底剪力的2％ ；如果框支層是有三層及三層以上時，各層每根柱所受的剪力則至少取基底剪力的3％。本工程的框支柱抗震等級為一級，軸壓比≤0．6，對部分因截面尺寸較大而形成的“短柱”要≤0．55?？拐鸬燃墳橐患?、二級的框支柱承受地震作用產生的軸力設計計算值分別乘以1．5O、1．25的調整放大系數。鋼筋配筋率方面，抗震等級為一級的≥ 1．2％ ，二級≥ 1.O％，三級時≥ O.9％。本工程根據SETWE軟件計算，最后采用柱截面為1．1m×（1．1～1．4)m不等。

另外，為了加強轉換層上下連接，框支柱上部墻體范圍內的縱筋應伸人上部墻體內一層；其余在墻體范圍外的縱筋則水平錨人轉換層梁板內，滿足錨固要求LaE。

5．3．2 框支梁的設計 為保證轉換梁結構的整體剛度，增強結構的可靠性。在《鋼筋混凝土高層建筑結構設計與施工規程》(JGJ3—91)中對轉換梁的最小高度和寬度作如下規定：框支梁截面的寬度要小于框支柱相應方向的截面寬度，寬度要大于其上墻厚的2倍，且大于400mm：當梁上托柱時，則要大于梁寬方向的柱截面寬度。進行抗震設計時，高度大于計算跨度的1／6：非抗震設計時，轉換梁高應大于跨度的1／8。

框支梁不但是上下層荷載的傳輸樞紐，也是保證框支剪力墻抗震性能的關鍵部位，是一個復雜而重要的受力構件。因而，在設計時應適當加大配筋率。一級抗震等級的框支梁縱筋配筋率要>0．6％，二級抗震等級的框支梁縱筋配筋率要>0.4％。本工程框支梁在滿足計算要求的情況下，縱筋配筋率不應小于0．8％?？蛑Я阂话銥槠氖芾瓨嫾?，梁中有軸力存在，應配置足夠數量的腰筋，即采用Ф16腰筋，沿梁高間距<200mm，并且可以錨入支座內。由于框支梁受剪很大，為滿足“強剪弱彎”原則，需加強箍筋設置，箍筋采用Φ14@100的8肢箍全長加密，配箍率達到1．53％。

5．3.3 轉換層樓板厚度確定轉換層樓板是主要要傳力構件，承擔著完成上下部分剪力重分配的任務。因此在設計時，對框支層樓板應進行截面尺寸的控制，并應進行抗剪截面驗算、樓板平面內受彎承載力驗算以及構造配筋要求，本工程轉換層采用C50混凝土，樓板厚度取值為200mm,實際配筋為Φ12×15O雙層雙向，樓板中鋼筋錨固在邊梁或墻體內，與轉換層相鄰樓層的樓板也適當加強，板厚采用15Omm，以協助轉換層樓板完成剪力重分配。

6結束語

隨著人們對高層建筑的功能要求趨向于多樣化、綜合化和全面化。梁式轉換層結構以其傳力直接、明確和清楚的優點，在目前高層建筑中被廣泛使用。設計人員要注重概念設計，并在設計過程中通過查閱數據，反復比較調整，以得到最為合理的設計。

注：文章內所有公式及圖表請以PDF形式查看。