淺談高層建筑梁式轉換層的設計要點

【摘 要】本文對高層建筑梁式轉換層的主要結構形式及受力特點進行了分析，并對梁式結構轉換層的設計方法進行了探討。

【關鍵詞】梁式轉換層 受力特點 截面設計

一、引言

目前，隨著高層建筑的迅速發展，建筑功能的要求也日益復雜化，建筑結構常常需要采用結構轉換層來完成上、下層建筑物結構的轉換。與一般結構層相比，轉換層結構具有結構重量大、結構層剛度大、幾何尺寸超大、受力復雜等特點。這意味著轉換結構組成了建筑物的主要構件，它們的設計是否合理、安全、經濟對整個結構的安全性、結構造價、施工費用等有著重要的影響。

二、梁式轉換層的主要結構形式及受力特點

1. 梁式轉換層的主要結構形式

實際工程應用中轉換梁的結構形式有多種多樣，從跨數上，可分為單跨、雙跨及多跨；從上部墻體形式上，可分為滿跨和不滿跨、開洞和不開洞及開門洞和開窗洞；從轉換梁功能上，可分為托墻和托柱；從轉換梁形式上，可分為加腋和不加腋；從轉換梁結構采用材料上，又可分為鋼筋混凝土、預應力混凝土和鋼骨混凝土、鋼結構等。

2. 梁式轉換層的受力特點

梁式轉換層結構傳力途徑采用墻（柱）-轉換梁-柱（墻）的形式，具有傳力直接、明確和傳力途徑清楚的優點，便于工程計算、分析和設計，且造價較節省。轉換梁具有受力性能好、工作可靠、構造簡單和施工方便的優點，結構計算也相對容易。研究表明，作為梁式轉換層的主要受力構件—轉換大梁，其受力形式與受力大小受上部結構形式、轉換梁上下層相對剛度、轉換梁的位置等因素的影響。在這些因素影響下，帶有轉換層的結構在水平荷載下將表現出不同的受力性能。分析表明，無論轉換梁上部墻體的形式如何，只要墻體存在一定長度，轉換梁中的彎矩就會較不考慮上部墻體作用的要小，相應墻體下的轉換梁就有一段范圍內出現受拉區。轉換梁的最終受力狀態由墻、轉換梁作為一個整體共同彎曲變形和拱的傳力作用綜合影響。

墻、轉換梁作為一個整體共同彎曲變形，轉換梁處于這整體彎曲的受拉翼緣，若單獨分析轉換梁，其所受的彎矩由于剪力墻的共同工作而大大降低，同時，由于處于受拉翼緣，應力積分后轉換梁中就會出現軸向拉力。由于豎向傳力拱作用的存在，使上部墻體上的豎向荷載傳到轉換梁時，很大一部分荷載以斜向荷載的形式作用于梁上，若將這斜向荷載分解為垂直和水平等效荷載形式，則垂直荷載作用下的彎矩肯定要比不考慮墻體作用時要小，在水平荷載作用下，就形成了轉換梁跨中一定區域受軸向拉力，而支座區域受軸向壓力的現象。

三、梁式轉換層的結構設計方法

由于梁式轉換層的造價低，所以梁式轉換層結構在實際工程中應用較廣。轉換梁主要承受豎向荷載，受力特征主要表現為在豎向荷載作用下的受力規律為研究上部墻體對轉換梁受力特征的影響，采用有限元分析程序對不同結構形式轉換梁的受力特征進行分析。根據一些工程實例的計算結果分析可見，計算模型的選取與轉換梁的跨度有關。當轉換梁的跨度較大時，上部墻體的層數考慮取多些當轉換梁的跨度較小時，上部墻體的層數可適當取少些。實際工程中轉換梁的常用跨度為6-12m而高層建筑結構標準層常用層高為2.8～3.2m。在此跨度和層高范圍內，對上部托墻形式的梁式轉換層，轉換梁內力有限元分析取其上部墻體3～4層，視這部分墻體連同轉換梁組成的倒T型深梁與下部一層結構進行內力分析，計算精度滿足設計要求。

（一）轉換梁截面設計

1.托柱形式轉換梁截面設計

當轉換梁承托上部普通框架時，在轉換梁常用截面尺寸范圍內，轉換梁的受力基本和普通梁相同，可按普通梁截面設計方法進行配筋計算；當轉換梁承托上部斜桿框架時，轉換梁將承受軸向拉力，此時應按偏心受拉構件進行截面設計。

2.托墻形式轉換梁截面設計

當轉換梁承托上部墻體滿跨不開洞時，轉換梁與上部墻體共同工作，其受力特征與破壞形態表現為深梁，此時轉換梁截面設計方法宜采用深梁截面設計方法或應力截面設計方法，且計算的縱向鋼筋應沿全梁高適當分布配置。由于此時轉換梁跨中較大范圍內的內力比較大，故底部縱向鋼筋不宜截斷和彎起，應全部伸人支座。當轉換梁承托上部墻體滿跨且開較多門窗洞或不滿跨但剪力墻的長度較大時，轉換梁截面設計方法也宜采用深梁截面設計方法或應力截面設計方法，縱向鋼筋的布置則沿梁下部適當分布配置，且底部縱向鋼筋不宜截斷和彎起，應全部伸入支座。當轉換梁承托上部墻體為小墻肢時，轉換梁基本上可按普通梁的截面設計方法進行配筋計算，縱向鋼筋可按普通梁集中布置在轉換梁的底部。轉換梁的結構形式有很多種，目前高層建筑轉換層結構的實際工程應用也很多。一般而言，高層建筑轉換層結構的分析必須按施工模擬，使用各階段及施工實際支撐情況分別進行計算，以反映結構內力和變形的真實情況。施工過程中的力學問題應引起設計人員和施工人員的高度重視。

（二）轉換層結構的構件設計

轉換層結構不僅豎向剛度易在轉換層附近發生突變，還應關注的是豎向抗側力構件不連續，使結構的傳力（包括豎向及水平力）途徑在轉換層及其附近發生突變，在強震作用下，易產生薄弱部位。因此在抗震設計中，除了控制轉換層上下剛度比外，還應采用措施，加強轉換層及附近層結構構件包括轉換柱、轉換梁、落地墻、轉換層上下各兩層樓板等構件，以保證水平剪力的有效傳遞和結構底層在強震下有足夠的延性。

（三）轉換大梁的設計

梁式轉換層的設計構造要求：①轉換層樓板要將上層結構的水平剪力傳遞到下層抗剪結構上去，本身承受很大的平面內剪力，同時又承受部分豎向荷載。因此要求樓板要有足夠的強度和剛度。②轉換層大梁是承托上部剪力墻或柱傳下來豎向荷載的重要構件.本身受力很大。它是整個結構抗震安全的關鍵部位。

（四）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。工程框支梁寬統一定為800mm。框支梁受力巨大且受力情況復雜，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。

（五）轉換層的抗震設計

帶轉換層的高層建筑結構中，由于設置了轉換層沿建筑物高度方向剛度的均勻性受到很大的破壞，轉換層結構豎向承載力構件不連續和墻、柱截面的突變，導致傳力路線曲折、變形集中和應力集中，因此轉換結構的抗震性能較差。為保證設計的安全性，規定部分框支剪力墻結構轉換層的位置設置在3層以上時，其框支柱、剪力墻底部加強部位的抗震等級宜按高規定提高一級采用，己經為特一級時不再提高，提高其抗震構造措施，而對于底部帶轉換層的框架，核心簡結構和外圍為密柱框架的簡中簡結構的抗震等級不必提高。

（六）樓板

由于結構上部的水平剪力要通過轉換層傳到下部結構，轉換層樓面在其平面內受力很大，樓板變形顯著，因此要適當加厚轉換層樓面，建議采用厚度不小于180mm的現澆板，這樣有利于轉換層在其平面內進行剪力重分配，并加強轉換大梁的側向剛度和抗扭能力，也可使實際情況更符合結構整體計算中樓層剛度無限大的基本假定。而且混凝土強度>C30，并采用雙向雙排鋼筋網，每排鋼筋的配筋率≥0.25%，必要時。轉換層樓板不宜有大的開洞，當開洞時應在洞口四周設置次梁暗梁，樓板開洞位置盡可能遠離外側邊，與轉換層相近的樓板也應加強。若必須在大空間部分設置樓、電梯間時，應用鋼筋混凝土墻圍成簡體。

四、結論

轉換層作為高層建筑中的重要結構部分，在設計時應了解主要結構形式及受力特點，根據工程的實際情況進行設計。