高層建筑梁式轉換結構受力變形特點探析

摘 要：綜述國內外關于高層建筑梁式轉換結構的研究現狀、發展趨勢和實際工程應用等方面的基礎上，根據轉換梁的荷載施加方式與受力特點，將高層建筑梁式轉換結構分為四大類：跨內滿布剪力墻的轉換梁；部分剪力墻位于框支柱上的轉換梁；剪力墻位于框支柱凈跨內的轉換梁；支承框架柱的轉換梁然后，分別按梁桿系模型和有限元模型對四類轉換梁結構的計算模型和受力特點進行分析。

關鍵詞：高層建筑； 梁式轉換結構； 剪力墻

中圖分類號：TU208.3 文獻標識碼：A

1 概述

為了實現高層建筑多功能用途。實現高層建筑的這種結構布置，就必須在結構變化的樓層設置結構轉換層來“承上啟下”，在結構轉換層布置轉換結構構件。這樣，帶轉換層結構的高層建筑應運而生，并已成為現代高層建筑的一大發展趨勢，尤其是大中城市用地緊張及復雜立體交叉時更是如此。而前，在帶轉換層的高層建筑結構中，梁式轉換結構是最常見、應用最為廣泛的一種轉換形式調查，結果表明，通過對國內、外59棟帶轉換層的高層建筑結構轉換形式的梁式轉換結構約占63%，由此可見梁式轉換結構的重要性，因此對層建筑梁式轉換結構受力變形特點探析是有必要的。

2 高層建筑梁式轉換結構的受力、變形特點

2.1高層建筑梁式轉換結構的受力、變形特點

（1）豎向力的傳遞不連續。

（2）在轉換層上下一、二層范圍內，轉 換層上下容易產生剛度突變，水平力有突變。

（3）轉換層落地和不落地支承的豎向形差較大，造成轉換層上部結構在恒載作用下彎矩、剪力突變，容易超限。

（4）存在變形復雜、傳力不明確的現象，尤其在復雜的轉換層結構中，如：帶次梁轉換的轉換層、超大梁轉換層、箱形大梁轉換等。

（5）轉換層剛度、質量集中，造成地震效應突然增大。

（6）轉換層分析不能采用簡化方式，如轉換梁的軸向變形不能忽略，結構內力計算與分析不能采用剛性樓板假定。

（7） 轉換層構件容易產生剪力突變，有時這種剪力突變現象需采用二次補充計算才能發現。

（8）轉換梁與框支墻在交接面上變形協調，其準確度取決于與上部剪力墻的變形協調節點的多少，及轉換梁與上、下層小梁的協調關系。

2.2高層建筑梁式轉換結構的設計原則

根據梁式轉換結構的受力、變形特點，綜合震害調查研究、試驗研究及分析等，梁式轉換結構由于平面布置及側向剛度的變化，在地震作用下受力復雜，其一般設計原則如下：

（1）傳力直接

布置轉換層上下主體豎向結構時，應盡量使水平轉換結構構件傳力直接，避免多級復雜轉換。

（2）減少轉換

布置轉換層上下主體豎向結構時，應使盡可能多的上部豎向結構（柱、剪力墻）連續貫通，尤其是框架核心筒結構中核心筒應上下貫通。

（3）強化轉換層下部結構、弱化轉換層上部結構

強化轉換層下部結構的側向剛度，弱化轉換層上部結構的側向剛度，使轉換層上下主體結構的側向剛度盡量接近，平穩過渡。抗震設計時，控制轉換層上下主體結構側向剛度，宜滿足下式要求

2.3轉換梁的結構類型及受力特點

高層建筑梁式轉換主要表現為十二種的常用結構形式，根據轉換梁的應用形式、受力特點、轉換梁與上部結構的共同工作形式，可將十二種結構形式歸納為四類：

（1）跨內滿布剪力墻的轉換梁（圖1-1、圖1-2、圖1-3）；

（2）部分剪力墻位于框支柱上的轉換梁（圖1-4、圖1-5、圖1-6）；

（3）剪力墻位于框支柱凈跨內的轉換梁（圖1-7、圖1-8、圖1-9）；

（4）支承框架柱的轉換梁（圖1-10、圖1-11、圖1-12）

通過有限元模型與梁桿系模型的對比計算，有必要時經試驗驗證，從而發現不同類型轉換梁與上部結構是否共同工作的受力特性，最終確定其合適的分析方法。

圖1 高層建筑梁式轉換的常用結構形式

2.4實用性能法對轉換結構按中震地震作用組合驗算其承載力

對于一般規則結構，國內規范是以小震作用下的彈性分析進行內力計算，通過概念設計與抗震構造措施來滿足大震不倒的要求。這種設計方法，對于規則結構是適用的，其塑性鉸分布合理，結構在預先設定的能發揮延性變形能力的部位進入塑性階段，大震下靠構件塑性變形耗能。對于帶梁式轉換的復雜高層結構，轉換構件為薄弱部位，可能在地震作用下首先進入塑性階段，大量吸收地震能量而導致破壞，并可能因局部破壞造成整個結構倒塌。原來的彈性分析方法無法確切分結構在大震下進入塑性后的實際反應，無法確保復雜結構設計的安全可靠性，彈塑性分析方法應運而生。對特別不規則的結構，在彈性分析的基礎上，通過彈塑性分析的方法驗算結構在大震下的位移與塑性鉸分布，進行防倒塌的第二階段驗算。

結語

文章介紹了高層建筑梁式轉換結構的受力、變形特點、設計原則，通過有限元模型與梁桿系模型的計算比較，根據受力特點將轉換梁分為四種不同結構類型，并結合對高層建筑梁式轉換結構的理論研究分析，可得出如下結論：

（1）梁式轉換結構設計原則為傳力直接，減少轉換，強化轉換層下部結構、弱化轉換層上部結構，結構計算應細致全面。

（2）高層梁式轉換結構的內力計算模型主要有梁桿系模型和梁有限元模型，梁桿系模型用于轉換結構計算有較大的局限性，有限元模型應合理確定其荷載和邊界條件，采用高精度有限元分析方法進行分析。

（3）應根據轉換梁表現出的不同受力特征，選擇相應的轉換梁截面設計方法，以確保結構安全可靠與經濟合理。

參考文獻

[1] 劉大海 楊翠如. 高層建筑結構方案優選（第一版） [M].中國建筑工業出版社， 1996.

[2] 唐興榮 何若全.高層建筑中轉換層結構的現狀和發展.蘇州城建環保學院學報，2001.

[3] 張維斌.鋼筋混凝土帶轉換層結構設計釋疑及工程實例.中國建筑工業出版社，2008.

[4] 徐承強李樹昌.高層建筑厚板轉換層結構設計.建筑結構，2003，2：19-22.

[5] 李國勝.關于底部大空間剪力墻結構的轉換層設計.建筑結構，20m，7：39-40.

[6] 徐培福.高層建筑大空間剪力墻抗震[J]建筑科學，1985，1.

[7] 孟凡深.鋼骨混凝土轉換梁與上部剪力墻共同作用的分析研究[M].同濟大學碩士論文，2002.