梁式轉換層的高層建筑結構設計

蘇光能

摘要：由于城市人口的急劇增長，同日漸減少的建筑面積形成了矛盾，所以，高層建筑在現代的發展非常迅速，人們對于高層建筑的功能需求越來越多。梁式轉換結構作為高層建筑中能夠實現垂直轉換的構件得以廣泛應用。本文通過對梁式轉換層的結構形式與受力特點分析，探了梁式轉換層結構設計的原則和構造的方法，為相關設計工作者提供一定的參考價值。

關鍵詞：高層建筑；梁式轉換層；結構設計

中圖分類號： TU208 文獻標識碼： A

隨著改革開放的不斷深入，社會主義市場經濟得到了發展，城市建設的步伐日新月異，人們對高層建筑的需求也越來越多。高層建筑尤其是綜合化、體型復雜化的多功能建筑成為城市建設的發展趨向。在同一座建筑中，由于各個樓層被賦予的功能不同，上部樓層可能用于辦公，中部樓層用于旅館、住宅，而下部用于文化設施、商店和餐館。加之建筑功能對空間的要求與結構的正常布置相反，因此必須在有結構轉換的樓層設置轉換構件，即轉換層結構。梁式轉換結構作為高層建筑中能夠實現垂直轉換的結構形式，以傳力直接、作用明顯、施工方便等優勢在高層建筑中被廣泛應用。

一、高層建筑梁式轉換層結構設計的原則

、減少豎向構件

在結構轉換時，盡可能的減少豎向構件，豎向構件存在的越多，那么所需要轉換的結構就會越少，所以轉換層結構的剛度的突變也就越來越小，對建筑結構的抗震就越有不利。

、轉換柱以及剪力墻應對稱布置

對于轉換柱和剪力墻設置的時候盡量讓它們對稱，梁上面的立柱最好是轉換成梁跨中，以免在轉換梁變形的時候，在梁上面立柱的柱腳位置出現轉角較大的情況，而且帶動立柱的柱腳發生非常大的變形，導致柱的剪切和彎曲，致使立柱造成非常大的內力導致超筋。

、強化轉換層下部主體的結構剛度

為了保證建筑物下部整體結構的抗震、延性、強度以及剛度等能力，應該對轉換層下部的主體結構盡量的強化其結構的剛度，對于轉換層上部進行弱化結構剛度，使得轉換層的上下部的結構變形以及結構剛度特征接近。一般多采取提高混凝土的強度等級、增加轉換層下部主體結構構件的截面尺寸、增設剪力墻等很多方法對其下部主體結構的剛度進行強化。當然了這里有兩方面的問題需要注意:第一方面，通常在增設剪力墻用來提高高抗側剛度的時候，需要注意建筑結構的整體剛度要均勻的分布開，保證質量的中心以及剛度的中心盡量能夠重合，以免兩者的中心偏移，引發建筑物的整體結構扭轉;第二方面，如果簡體截面的尺寸增大，會導致簡體在整個下部結構抗側總剛度之中占的比重更大，并且建筑結構地震的總反應也會增大，這樣一來簡體所能承受的抗震荷載的級數有增大的趨勢，簡體的安全設計做為抗震的第一層防線，這個環節必須重視起來。

、保證轉換層具有足夠的剛度

在建筑結構設計中必須要對轉換層的剛度有著足夠的保障，通常要求梁的高度大于跨度的12%，才能更好的保障內力在下部構件和轉換層中合理的分配，剪力墻柱和轉換梁的受力性能都比較好，才能對結構轉換起到較好的作用。

、轉換層結構位置可低不可高

當轉換層的位置偏高時，容易造成框支剪力墻結構在轉換層附近的內力和剛度都會降低，不利于抗震設計，而且抗震設計的底層框支剪力強結構和概念結構都存在著差別。在必須使用高位轉換的時候，必須要控制轉換層下部框支結構相同效率的剛度，也就是軸向變形、剪切、彎曲等的剛度需要重點考慮，這一措施對減少層間內力突變以及未移角都顯得非常重要。與此同時，對落地剪力墻的間距限制必須要比底層框支剪力墻結構要求更加嚴格。

、帶轉換層結構計算要求全面

轉換層結構是建筑整體結構中一個重要部分，在實際的受力變形狀態計算模型的時候，應進行三維空間的整體結構分析，比如可以應用有限元的方法來對轉換結構實施局部的補充和計算。與此同時，在轉換結構以上的部分最少要選擇兩層的結構進行局部計算模型，而且還要注意使用中的模型外界條件必須符合實際的運行狀態。

二、梁式轉換層結構形式與受力特點

一般來說，高層建筑由于自身結構的特點，下部承受的壓力隨著高度的增加逐漸變大，因此在高層建筑結構的設計中需要考慮下部結構的承受力比上部結構大。然而，在實際的高層建筑設計中需要考慮反常規設計方法，理由是建筑使用功能對空間要求卻是下部大空間，往上部逐漸減小。從《高層建筑混凝土結構技術規程》CTGJ3-2010)中轉換層樓板應滿足條件的規定，可以看出為了保證轉換梁結構的整體剛度以及可靠性采取的限制措施。

、梁式轉換層結構形式

轉換梁的結構形式在實際工程應用中是多種多樣:第一，從轉換梁功能和形式上可分為:托柱和托墻、加腋和不加腋;第二，從跨數上可分為:單跨、雙跨和多跨;第三，從轉換梁用料上又可分為:鋼結構、預應力混凝土、鋼筋混凝土及鋼骨混凝土等;第四，從上部墻體形式上可分為:開洞和不開洞、開門洞和開窗洞及滿跨和不滿跨?？偟膩碚f，基本原理就是使上部結構能利用下部的轉換大梁來支撐。

（二）、梁式轉換結構受力特點

梁式轉換層結構的傳力途徑為墻一梁一柱(墻)的形式，具有傳力明確、清晰、直接的特點。轉換大梁作為梁式轉換層的主要受力構件，其受力大小與受力形式受上部剪力墻剛度、轉換梁的位置以及下部支撐結構與轉換大梁的相對剛度等因素的影響。

三、計算要求

、轉換大梁的設計

梁式轉換層的建筑結構設計大致分成兩部分:第一部分，轉換層大梁是柱傳下來的豎向荷載或者是承托建筑結構上部剪力墻的重要組成構件，其本身的受力比較大，也是做為整個建筑結構抗震安全的重要部位;第二部分，轉換層的樓板需要將建筑結構上層的水平剪力傳遞給下層的抗剪結構中去，其本身所承受的平面內剪力就比較大，而且還承受著一部分的豎向荷載，所以，必須要求建筑樓板有著足夠的剛度和強度。我們在實際的設計當中，一半是采用三維空間的分析程序，技術要求非常高，并且轉換大梁設計在整個的建筑轉換層結構設計中都有著重要的作用，應該引起高度的重視。

、分析計算轉換層

建筑整體結構計算完畢之后，還應該對轉換層采取平面有限元計算，并且對局部的應力進行相應的補充計算。在實施局部計算分析的時候，應該考慮轉換結構樓層房蓋的平面內剛度的影響，以及上下樓層能否進入局部的計算模式中進行計算，我們還需要注意實際結構的三維空間盒子的效應，以及符合實際操作的情況下進行正確的計算模型。實踐得出，框支剪力墻計算非常的復雜，其下部許多跟柱與上部的剪力墻是相連接的，假如這樣的連接存在著不當連接，那么極有可能出現較大的計算誤差。建筑空間的分析程序主要是以梁柱做為基本元素，而對底部框支剪力墻進行分析的時候，是以剪力墻做為柱的基本元素而考慮的。

四、梁式轉換層結構的設計與構造

（一）、轉換梁的設計與構造要求

一般情況下，轉換梁不宜開洞，如果必須要開洞的話，洞口最好設計在梁中和軸附近。轉換梁上部主筋全長貫通的比例至少應有50%，下部主筋應全部貫通伸入柱內。非抗震設計時，轉換梁上、下主筋的最小配筋率為0.3%;抗震設計時，一、二、三和四級抗震等級分別為0.5%、0.4%、0.35%和0.35%。轉換梁中主筋不宜有接頭;若存在接頭時，應采用機械連接，并保證同一截面內鋼筋接頭面積不超過主筋截面積的50%，接頭位置盡量避開梁上托柱、上部剪力墻及受力較大部位。

（二）、框支柱的設計與構造要求

一般情況下，可通過計算框支柱軸壓比的方式確定其截面尺寸?？拐鹪O計時，框支柱配筋需要按柱頂彎矩設計值進行，該設計值由柱頂彎矩乘以放大系數放大后得到;有地震組合時，由于地震作用帶給一級、二級框支柱所承受軸力設計值的變化應分別乘以1.50、1.25的放大系數予以調整。

抗震等級為一、二、三和四級時，框支柱全部縱向鋼筋配筋率分別不小于1.2%、1.0%、0.9%}0.8%?？拐鹪O計時，全部縱向鋼筋配筋率不宜大于4%，縱向鋼筋間距的范圍是80-200mm。

框支柱應采用沿框支層全高加密的箍筋方式，而框支柱水平箍筋可通過與柱箍筋相互配置的方式完成。

（三）、轉換梁的截面設計方法

目前國內轉換梁截面設計方法有:普通梁截面設計方法、偏心受拉構件截面設計方法、深梁截面設計方法以及應力截面設計方法。其中應用轉為廣浮的是應力截而設計方法。

總而言之，在進行高層建筑梁式轉換層結構設計的時候，我們需要做好充足的準備，首先需要具備應有的理論性知識，并且在實際的設計中，對容易出現的問題進行很好的預防，做好細節的設計，以免由于細節上的問題導致建筑在日后的使用中出現安全的隱患。在每次的設計中，設計人員應該總結設計中的不足，并且對其改正，確保下個建筑的設計不會出現同樣的問題，進而促進建筑工程項目的良好竣工，促進我國建筑行業的發展。

參考文獻

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