高層建筑梁式轉換層結構設計原理分析

楊詞光

（九江城市規劃市政設計院）

高層建筑梁式轉換層結構設計原理分析

楊詞光

（九江城市規劃市政設計院）

隨著我國城市化建設的腳步加快，城市可用土地資源日益緊張。為緩解這一矛盾，促使我國城市建筑都向著高層建筑發展，而現代高層建筑的結構呈現出多功能、多種用途的綜合體。本文就主要針對高層建筑梁式轉換層結構設計原則及要點進行了闡述。供同行參考。

高層建筑：梁式轉換層：設計原則；類型選擇

引言

隨著城市高層建筑的快速發展，建筑物的功能不再是單一，如：大型酒店、商住樓、綜合辦公樓等高層建筑一般以地下室為停車，下底樓層為商業和娛樂區，中部的樓層多數是寫字樓，上部則為民用住宅。對不同用途樓層需要不同的空間的結構采取不同的設計，空間上就存在著較大的差異，必須在有結構轉換的樓層設置轉換構件。底部樓層的受力較大，墻結構要多柱網要密集，要求結構設計上與常規的結構方式布置相反，柱網或是墻體把上部和下部的功能區分開，通過上部樓層小開間，布置剛度較大的剪力墻結構，采用純剪力墻轉換層結構。底部大空間，布置剛度較小的框架，采用框架式剪力墻。由此可見，利用轉換層結構設計滿足各自的使用與需求，高層建筑梁式轉換結構具備傳力途徑簡潔、明確、直接的底部優點，而且垂直轉換的結構形式，以傳力直接、受力作用明確、施工方便的特點，廣泛在現代高層建筑使用。

1　高層建筑中的轉換層結構設計原則與類型

在現代高層建筑設計理論中，帶有梁式轉換層結構是極其關鍵的技術，也是現代城市標志建筑的代表之一，符合現代城市具有的功能需求。因此，要滿足不斷豐富功能的基本需求，建筑工程的實際施工過程中，要采取更好的單元型轉換結構，盡量保障轉換層自身安全、穩固等功能。強化處理豎向結構突變性等問題，避免在結構轉換時，盡可能的減少豎向構件，豎向構件存在的越多，就會減少轉換的結構，使剛度的突變越小，影響建筑結構的抗震能力。要注意轉換柱以及剪力墻應對稱布置，設置轉換柱和剪力墻時候，盡量讓二者對稱，梁上面的立柱轉換成梁跨中，能夠切實有效的解決轉換層結構存在的問題，才能滿足建筑工程內部的空間布置需求，向著多元化的方向發展。促使現代建筑工程體系的應用空間更加廣泛。高層建筑高層中轉換層的類型：①結構轉換層：不同的結構方式之間轉換，以底部框架結構，上部砌體結構，這是我國常見的結構形式，底部建成較大的開間，作為商業的用房。結構形式上部砌體墻用作住宅。上部的砌體墻所承受的內力集中在轉至建筑物底郅的框架柱。②功能轉換層：高層建筑的中間設置一個設備層，樓層由于比較高，從地下室向上部樓層供電、供水等等，上部供電、供水存在距離比較遠，可以在中間設置一個設備層，可以把供水的壓差，供電負荷中心的范圍等問題在中間樓層地帶電負荷的重分配，多功能的高層建筑物在中間地帶拿出一個整樓層做為功能轉換層，轉換層中通常就是設備層。作為設備層設計高度限定為2.2m左右，減少整個高層建筑的占用規劃指標。

2　工程實例

某高層建筑為商住合一。建筑高度為48.7m，地上15層，一、二層為商業用房，3～15層為住宅，地下室層高4.5m，二層商業用房部分為：底層層高5.5m二層層高5.5m，住宅部分層高為2.9m。由于不同的用途需要不同的空間組合形式，因此除了主體中間部分（電梯間、樓梯間等公共部分）布置成落地剪力墻核心筒，其他部分均不能采用一種結構體系。必須在二層頂采用結構轉換的方法過渡為另一種結構形式。

2.1結構選型

結構轉換層的類型很多，對于此工程來說，如果采用厚板轉換存在以下問題：轉換厚板的混凝土及鋼材用量都很大，增加投資成本，并且施工難度大；受力情況復雜，計算過程繁瑣。如果選用箱形轉換，優點是結構整體性好，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，轉換層設計的技術儲備不足，難度相對較大，且施工難度也大。

梁式轉換層優點主要表現為設計和施工簡單，轉換構件受力明確，經濟合理性強。內部空間自由暢通，滿足管線布置要求，在轉換梁結構受力較小的部位可以開洞口，容易滿足建筑對功能的要求。

2.2梁式轉換層的受力特點

梁式轉換結構層的核心構件是轉換梁，主要影響轉換梁的受力特點因素有：材料使用、尺寸大小，上部的結構類型等，同時，自身的剛度，包括剪力墻以及梁的剛度比。另外上層、下層結構的類型的相對剛度大小。轉換梁受力來自上部結構，較大影響轉換梁，具有一定的尺寸上部結構的墻時，墻體結構形式對轉換梁的內力變化影響很小。本工程在設計轉換梁時，考慮轉換梁和上部墻體的整體的受力結構，保持一致彎曲變形。拱的特有的作用影響到梁的內力形式，拱結構傳力形式豎向荷載作用分解為水平和豎直方向的作用力，中間受拉力，兩端部受到壓力的形式。在實際分析工作中，利用剪力墻分擔轉換梁產生的彎矩，墻整體結構的受拉翼緣而內部產生拉力，保持轉換梁的受力均衡。

2.3轉換層結構布置

由于上部住宅空間劃分很多，所以在轉換層需要設置為二次轉換，即設置轉換主梁和次梁；同時設置了部分短肢剪力墻以滿足建筑功能要求，轉換層結構布置平面如圖1所示。

圖1　

2.4構造措施

首先對整體結構進行概念設計，采用必要的結構構造措施是保證抗震設防要求的重要手段。本工程采用了以下一些構造措施：

（1）加強底部框支層的剛度和延性。根據轉換層結構設計原則，轉換層上下結構側向剛度比值在抗震設計時不應大于2。為了減小上下層剛度比，底部兩層核心筒及剪力墻厚度為300mm，3層以上為200mm；混凝土等級C40，3層以上C35～C25。由于核心筒位置較偏，北向剛度較大，因此在底部南邊位置適當部位增設了短肢剪力墻，使剛心和質心盡量重合，也提高了底部剛度，使其滿足剛度比限值。

（2）加強轉換層樓板的剛度及延性，確保水平荷載的可靠傳遞，樓板厚度取為180mm，雙層雙向配筋，每層每方向的配筋率為0.25％，加強了整體性。

（3）短肢剪力墻盡量布置在框支柱上，避免在框支柱間設置剪力墻，墻肢可以長一些，這樣大幅度降低了轉換大梁的彎矩，同時也降低梁高和配筋。選用形式上盡量采用L型、T型，避免使用一字型。

（4）為加強轉換層的整體協調能力，在轉換層樓面上周邊及內部非門洞口的地方做一些矮墻，墻高伸至窗臺底面。作為一種安全儲備，在計算中未考慮該段墻。

2.5結構計算

對于高層結構的分析，合理選擇計算軟件非常重要，它直接影響結果的精度和可靠度。本工程選用以墻元模型模擬剪力墻的SATWE空間有限元軟件。根據經驗初步選定轉換梁截面，用STWE進行結構整體計算，得到轉換梁所受設計剪力后，按照亥值不大于0.15fcbh/0.85校核截面尺寸。對轉換梁不僅有強度要求，也有剛度要求。本工程轉換層的層高為4.45m，轉換梁的最大跨度為⒍5m，大梁截面尺寸為450mm×1400mm，1400mm× 1400mm，450mm×1100mm。梁寬度不小于上部墻體厚度（200mm），梁高度大于梁跨度的1/6，均滿足要求。根據軸壓比確定框支柱主要截面尺寸：700mm×900mm，900mm×900mm，850mm×850mm。

對于復雜高層建筑，需要考慮扭轉耦聯，計算中還要考慮模擬施工加載，計算發現梁一次加載在結構的大部分位置配筋均多于分層加載配筋。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。由于設置次梁轉換，使結構處于復雜的空間受力狀態，現有程序不能正確反映其受力，因此在整體分析的基礎上，取其內力進行人工配筋校核。根據上部結構傳遞給轉換層的荷載，用FEQ對轉換層本身及其上下幾層進行平面有限元分析，對于轉換梁、框支柱在整體計算的基礎上，采用平面有限元框支剪力墻計算軟件FEQ進行局部有限元精確分析，并按應力校核配筋。另外，對于一些結構構件采取以下構造措施：

（1）框支梁的支座處及上部墻體開門洞附近剪力均較大，箍筋應加密配置；當洞口靠近梁端時，也可采用梁端加腋提高其抗剪承載力，并加密配箍。

（2）對于二次轉換梁，集中荷載引起應力更加復雜，在相應梁端處增設加腋，作為抗剪的安全儲備。如19軸線梁在C軸兩側各有一個二次轉換梁，采用巨型加腋。

（3）框支層上剪力墻洞口上部的連梁，設計上要保證強剪弱彎，在連梁內充分配筋，配置交叉斜筋，保證梁內塑性絞的出現。

3　結束語

由此可見，高層建筑梁式轉換層結構設計方面，應結合現場和市場的需求，對結構形式的設計過程中，要充分考慮不同方面的綜合因素，全面詳細制定高層建筑結構設計的方案。同時在設計中不斷研究比較梁轉換層的設計其他種類，為以后施工條件下做出更優的技術方案，確保高層建筑的可靠性、安全性。做好細節的設計，預防容易出現的問題，避免出現安全的隱患，以達到更高的設計和施工目標。

[1]劉旭東.高層建統梁式轉換層結枸設計原理探討[J].低碳世界，2014，07，08：212～213.

[2]潘冬冬.高層建筑轉換層結構設計探討[J].科技創新與應用，2014（24）：243：244.

[3]覃永敘.有梁式轉換層的高層建筑結構設計[J].中華民居（下旬刊），2013，09，25：36～37.

TU973

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1673-0038（2015）17-0007-02

2015-4-13