談高層建筑中梁式轉換層結構設計在實際工程中的運用

呂 革 吳 菲

（四川省建筑設計院，四川 成都 610000）

一、概述

近年來，高層建筑不斷增多，建筑立面，功能的轉變也日趨復雜，尤其是在高層建筑和超高層建筑當中，其沿高度方向的建筑功能已經不再單一，往往是下部樓層及其裙樓用作商業等用途，而上部樓層則用作商務辦公或者住宅等用途。由于這類綜合性的建筑功能需求，給整個建筑結構體系提出了更高的要求，使我們建筑結構設計也越來越具有挑戰性。象這樣一類建筑上部是商務辦公或者住宅樓層通常需要布置小開間的軸網，并且需要比較多的墻體來進行分隔；而下部的商業樓層則需要布置間距較大的柱網和比較少的墻體分隔，以滿足其對建筑空間的大型、靈活、自由的需求。于是，帶轉換高層建筑結構體系就此應運而生，并在工程實踐中得到了長足的發展。而梁式轉換，是此類建筑工程普遍采用的一種轉換方式。本文結合工程設計實例對梁式轉換層結構設計進行了分析與探討。

二、梁式轉換層高層建筑的主要結構設計概念

2.1 加強梁式轉換層及下部結構的剛度，要求梁式轉換層上下樓層層剛度基本均勻。

2.2 強化和提高梁式轉換層以及下部結構抗震承載能力，避免在地震作用下下部主體結構（框支柱及轉換梁等）破壞。

三、工程設計實例

3.1 工程概述

圖1 住宅結構平面（墻厚200mm）

某高層商住樓位于綿陽市三臺縣濱河路涪江大橋南側。總用地面積約為4800平方米，建筑面積約10萬m2。建筑物地上26～30層，地下1層。其中裙房3層為商業，主樓26層為住宅，地下室均為汽車庫和設備用房。

3.2 結構選型

1）由于該工程為綜合性質較的高層建筑,上下建筑功能不同，需要豎向空間具有不同形式的空間組合。由于3層以上為住宅，所需的空間分隔較多，故采用剪力墻結構，平面布置如圖：

2）因為3層下作商業用途，所需要的自由空間較多，故下部采用框架-剪力墻結構，平面布置如圖：

圖2 二層結構平面

3）在高層建筑結構的底部，當上部樓層部分豎向構件不能直接連續貫通落地時，應設置轉換層，形成帶轉換層高層建筑。結構轉換方式較多，以下對箱型、厚板、轉換梁三種轉換作比較：（1）厚板轉換優點是結構整體性較好，但是的剛度突變較大，質量集中，給抗震帶來不利，另外混凝土及鋼材用量也比較大,增加投資成本（2）箱形轉換也是結構整體性好,不管上部結構布置多么復雜,仍能保證上、下豎向構件的有效傳力。但是從結構設計角度考慮,內力分析較為復雜,轉換層設計的難度相對較大,同厚板相同混凝土及鋼材用量較大，不夠經濟。（3）梁式轉換層，優點主要是轉換構件受力明確，設計和施工相對較為簡單 ,另外相對于前兩種轉換形式更為經濟。內部空間自由暢通，能比較容易滿足其它水，電，暖工種的管線布置要求，在轉換梁結構受力較小的部位可以開洞口，可滿足建筑功能的要求。綜上所述，梁式轉換相對箱型、厚板更為簡單、經濟，因此本工程選擇了梁式轉換的結構轉換方式。

4）經過以上的選擇，該工程結構形式確定為帶梁式轉換層的部分框支剪力墻結構。

5）梁式轉換層設計

（1）轉換、梁柱、墻、板的截面規定：

轉換梁：轉換層梁的截面高度不宜小于計算跨的1/8。托柱轉換梁高度不應小于其上所托柱在梁寬方向的截面寬度。框支梁截面寬度不宜大于框支柱相應的方向的截面寬度，且不宜小于其上墻體截面厚度的2倍和400的較大值。

框支柱：框支柱截面由軸壓比確定，截面寬度不應小于450mm;截面高度不宜小于轉換梁跨度的1/12。

墻：底部墻厚加強部位不小于200，落地剪力墻和筒體底部墻體應加厚。

板：轉換層板厚180mm。

(2)調整轉換層及其上下樓層層剛度基本均勻

由于換層結構豎向抗側力構件的中斷，而導致轉換層以下的結構抗側剛度與樓層屈服強度的驟然減小，引起變形集中和能量集聚而極易發生嚴重破壞。因此我們用增大轉換層及其下部結構剛度，來達到轉換層及其上下樓層層剛度基本均勻。即設置一定比例的落地剪力墻，并加大落地剪力墻的厚度或提高轉換層混凝土強度等級，必要時可增設部分剪力墻。來達到我們調整轉換層上下層度基本均勻的目的。換層上下結構的剛度比計算根據《高層建筑混凝土結構技術規程》附錄E中的規定

轉換層位于3層及以上時可采用等效側向剛度比:

換層位于3層及以上時其樓層與上層側向剛度之比:

6)調整轉換層上下樓層層剛度的設計措施：

（1）轉換層下的剪力墻加厚，并封閉一些洞口，落地剪力墻和中筒外圍墻加厚至400mm，在轉換層之上減薄

（2）對轉換梁的截面也作了適當的加大。

（3）降低轉換層之上混凝土強度等級。

(4)底部剪力墻盡量不開洞或開小洞,以免剛度削弱太大。

7)截面的選擇

本工程轉換層的層高為6.60m,轉換梁的最大跨度為7.8m。

（1）框 支 梁 800mm1800mm，1200mm×1800 mm，500mm×1400mm。滿足不小于梁計算跨度1/8的要求。

(2)框支柱 1000mm×1300mm，1000mm×1100mm，1000mm×1400mm。滿足了不應小于450；不小于轉換梁跨度的1/12。

(3)落地剪力墻 400mm

8)轉換層結構布置

由于上部為住宅空間分隔比較多，一次轉換尚不能滿足建筑功能需要，因此設置了二次轉換,即設置轉換主梁和次梁。轉換層結構布置平面如圖：

圖3 轉換層結構平面

5.結構計算

(1)規范規定：

1）宜考慮平扭偶聯計算結構的扭轉效應，振型數不應小于15

2）框支框架承擔的地震傾覆力矩應小于結構總地震力矩的50%

3）側向剛度比大于0.6

4）當轉換層的位置在3層及3層以上時，其框支柱、剪力墻底部加強部位的抗震等級提高一級

（2)加強轉換層的計算措施

1）梁式轉換層結構屬于豎向不規則建筑，應特別重視轉換層以及底部加強部位的加強，來體現"強柱弱梁"、"強剪弱彎"、"強底層柱底"、"強底層墻底"等的一系列內力設計值調整系數均應按規范予以考慮

2）抗震計算中，振型數為24個。

（3）抗震等級的確定

本工程6度設防,框支框架抗震等級為二級,剪力墻底部加強部位為二級。由于轉換層在3層，屬于高位轉換，其框支柱、剪力墻底部加強部位的抗震等級應提高一級，因此框支柱、剪力墻底部加強部位的抗震等級應定為一級；而非底部加強部位的剪力墻抗震等級定為三級。

(4）整體分析的計算

帶轉換層的高層結構是復雜的空間受力體系，必須將轉換結構作為整體結構中的一個重要組成部分，應選擇能反映結構中各構件的實際受力狀況的力學模型，選取合適的三維空間分析軟件進行整體結構計算分析。本工程選用以墻元模型模擬剪力墻的SATWE空間有限元軟件進行計算。

(5)參數

抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度為0.05g，設計地震分組為第二組，特征周期為0.40S，根據所提供的《工程場地地震安全性評價報告》：多遇地震時水平地震影響系數最大值為0.058，結構阻尼比為0.05。建筑場地類別為Ⅱ類。

(6)計算結果

采用SATWE整體分析求出結構頂點位移、層間相對位移、落地剪力墻所分擔的地震剪力，數據如下。

A：結構自振。03周期(s);

T1=2.7021 T2=2.4897 T3=2.1630

第一扭轉周期和第一平動周期之比 ：0.8004

B：各樓層中的最小水平地震剪力系數λ

X方向 1.15% Y方向 1.22%

C：有效質量系數：

X方向 99.96% Y方向99.50%

D：與規則性有關的部分指標：

樓層最大層間位移與該樓層層間位移平均值的比值的最大值：

X方向 1.07 Y方向 1.23

樓層側向剛度與其上與上一層相應塔側移剛度70%的比值或上三層樓層側向剛度平均值的80%的比值的最小值為

X方向 1.035 Y方向 1.156

抗側力結構層間承載力與相鄰上一層受剪承載力比值的最小值：1.03

E：最大彈性層間位移角（包括風和地震作用）；

地震作用下X方向 1/1722 Y方向1/1819

風荷載作用下X方向1/2369

Y方向1/2994

F:框支柱的最大軸壓比 ：0.59

G:剪力墻承擔的傾覆力矩比值 ：

X方向 85.25% Y方向 91.80%

H:轉換層與其相鄰上層的側向剛度比：

X方向 0.84 Y方向 0.68

I:轉換層下部結構與上部結構的等效側向剛度比：

X方向 1.06 Y方向 1.03

J:計算時均考慮耦聯地震作用，并考慮雙向地震作用（計算位移時考慮偶然偏心影響）。

4.計算結果分析：

1）在計算過程中，部分框支梁的抗剪沒有滿足規范的要求，我們取其內力，人工復核，通過加腋的方式來滿足抗剪要求。

2）換層結構上下層剛度比達到比較理想的效果

轉換層下部結構與上部結構的等效側向剛度比：

X方向1.06 Y方向1.03大于規范規定的0.8

轉換層與其相鄰上層的側向剛度比：X方向 0.84

Y方向 0.68 大于規范規定的0.6

3）通過以上數據分析，本工程計算結果滿足規范的要求。

6.構造措施：

1）但是我們還在抗震構造措施上加強了轉換層的設計：

（1）為確保轉換梁在斜裂縫出現后，縱筋能起拉桿作用，形成桁架受力體系，底部縱筋不宜在跨內彎起或截斷，而應全部伸入支座內，并有可靠錨固；頂部縱筋在跨中附近不宜過早截斷，最好通長設置。轉換梁截面尺寸較大，沿梁高應配置一定數量的腰筋。它可以提供一定的受彎、受剪承載力，同時，對抑制裂縫的開展，減小溫度和混凝土收縮的影響都有一定的作用。因此，在設計框支梁時，加強了配筋。框支梁的上、下縱筋的配筋率一般為0.8%左右，腰筋為16@200，配箍率為0.9%；

（2）框支柱的配筋率一般為1.3%，配箍率為1.64%左右；

（3）轉換層的樓板厚為180mm，配10@160雙層雙向的鋼筋，配筋率為0.27%

（4）由于帶轉換層的高層結構比較復雜，我們在設計過程中采取了在轉換層的上層的樓板及剪力墻均采用特別加強加大板厚及配雙層鋼筋，以利于該層內力的傳遞和重分布。

結語：

針對梁式轉換部分短肢剪力墻結構的高層建筑，上下剛度和質量不均勻，傳力途徑不直接，轉換部位應力復雜的特點，著重研究了梁式轉換層的設計方法，從轉換梁尺寸選擇、轉換梁設計與構造要求、框支柱的設計和構造要求等方面闡述梁式轉換層結構的設計、計算與構造要求，提供了切實可行的實踐經驗，對實際工程的設計具有一定的參考價值。

[1]JGJ3-2010.高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[2].GB 50011-2010.建筑抗震設計規范[S].

[3]熊進剛，吳曉莉，陳禮建，等.有梁式轉換層的高層建筑結構設計與研究 [J].工業建筑，2001，31(6):34-36.

[4]熊進剛，吳曉莉，陳禮建，等.有梁式轉換層的高層建筑結構設計與研究 [J].工業建筑，2001，31(6):34-36.