高層建筑梁式轉換層結構設計理論與實踐探索

孫醫譙

（安徽省建筑設計研究院有限責任公司　安徽合肥　230000）

高層建筑梁式轉換層結構設計理論與實踐探索

孫醫譙

（安徽省建筑設計研究院有限責任公司安徽合肥230000）

隨著我國城市化建設步伐的不斷加快，高層建筑成為了城市化發展的主要方向，因此，在高層建筑設計中，由于建筑功能的需要經常會出現轉換結構，而設計人員在進行轉換結構設計時，必須采用合理的設計方法才能設計出最優的高層建筑轉換層結構設計方案，本文以某工程實例對高層建筑梁式轉換層的設計理論與實踐進行詳細的探討。

高層建筑；梁式轉換層結構；設計理論；工程運用

1　高層建筑梁式轉換層結構的設計理論分析

1.1轉換層結構受力特點分析

高層建筑梁式轉換層結構的傳力路徑是：墻—轉換梁—柱，且傳力明確、直接，工程計算、分析和設計都非常方便。

轉換大梁是高層建筑梁式轉換層的主要受力構件，其受力形式和受力大小和上部結構的形式、轉換梁的位置、轉換梁上下層相對剛度等有直接的關系。因此，在水平荷載作用下，具有轉換層的高層結構表現出不同的受力性能，大量工程實踐表明，只要轉換梁上的墻體具有一定的長度，無論墻體采用何種形式，則考慮墻體后轉換梁中的彎矩明顯小于不考慮上部墻體時的彎矩，相應墻體下的轉換梁在一定范圍內存在受拉區。轉換梁的最終受力狀態由墻體、轉換梁作為一個整體共同發生彎曲變形和拱效應。

墻體、轉換梁整體發生彎曲變形，在這個整體中轉換梁屬于受拉翼緣，若對轉換梁進行單獨分析，由于剪力墻的作用其所受彎矩大大降低，同時，轉換梁屬于受拉翼緣，應力會使轉換梁中出現軸向拉力。由于存在豎向傳力拱的作用，使上部豎向荷載傳到轉換梁時，大部分荷載以斜向荷載的形式作用于轉換梁上[見圖1（b）]，將這斜向荷載等效成垂直荷載和水平荷載形式[見圖1（c）、（d）]，在垂直荷載作用下轉換梁的彎矩明顯小于比不考慮上部墻體作用時的彎矩[見圖1（a）]，在水平荷載作用下，在轉換梁跨中一定范圍內就會出現軸向拉力，而支座則會受到軸向壓力的作用。

圖1　轉換梁受力機理

1.2梁式轉換層結構的設計遵循原則

帶轉換層的高層建筑結構，是一種受力形式復雜、不利于抗震的復雜結構體系，當需要考慮抗震設計時，整體結構設計需要遵循以下原則：①傳力直接，避免出現多次轉換。在進行轉換層上下層主體豎向結構布置時，要盡量做到水平轉換結構具有明確直接的傳力路徑，通過對結構進行合理的布置，使上部荷載通過轉換托梁直接傳給豎向承重構件，盡可能的避免水平多級轉換，實現傳力路徑的最短化。②加強下部結構、弱化上部結構。要保證轉換層底部結構具有足夠的強度、剛度、延性和抗震能力，適當增強轉換層下部主體結構的剛度，降低轉換層上部主體結構的剛度，盡量保證轉換層上下部主體結構的剛度和變形接近，避免出現結構薄弱層。③計算準確。在進行計算時應將轉換層作為整體結構中的組成部分，根據結構的實際受力變形狀態建立準確的計算模型，利用PKPM或其他結構分析軟件進行三維空間整體結構計算分析。對轉換層應采用有限元軟件進行局部補充計算，根據規范規定，轉換結構局部計算模型應包括轉換層、轉換層以上至少2層結構和所記入樓層的平面內剛度，并考慮結構的三維空間盒子效應，采用實際的邊界條件進行計算分析。

2　高層建筑梁式轉換層結構設計案例分析

2.1工程概況

某綜合大樓，2層地下室，地上28層，建筑高度99.7m。其中裙房1～4層為商業樓層，5～28層為住宅樓。本工程上下部建筑功能不同，上部住宅部分采用小開間的剪力墻，商業樓層，主樓向外延伸若干榀裙房框架，建筑功能需要大開間的結構布置，部分剪力墻不能落地。綜合整個功能布局，本工程在4層設置轉換層，采用梁式轉換的結構轉換方式，轉換層兼做設備層，整體結構為部分框支剪力墻結構，如圖2所示。

圖2　轉換層結構平面圖

2.2抗震等級的確定

根據《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2010），本工程為丙類建筑，抗震設防烈度為Ⅶ度，根據規范3.9.3條，本工程框支框架及底部加強部位的剪力墻抗震等級為一級。又根據10.2.6條，當轉換層設置在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需提高一級采用。由于本工程轉換層設置在第四層，屬于“高位轉換”，綜合以上規定，本工程框支框架和底部加強部位的剪力墻抗震等按特一級采用，其他構件的抗震等級如表1所示。

表1　抗震等級的設計

2.3轉換梁設計

高層梁式轉換結構，其轉換梁的承載力通常都是斜截面受剪承載力起控制作用。①斜截面受剪承載力主要由混凝土和箍筋承擔，雖然梁水平腰筋也能分擔一部分剪力，但通常在計算時不予考慮，僅作為結構的安全儲備。因此適當提高轉換梁的水平腰筋不但可以減少裂縫的產生，而且還能增強轉換梁的受剪承載力。②轉換梁的正截面受彎承載力計算按照普通梁進行計算。③由于轉換梁的尺寸比較大，使得其上部結構荷載在轉換梁上產生了一定的偏心距，進而產生扭矩，然而轉換梁自身的抗扭承載力比較低，因此在進行轉換梁設計的過程中需要通過計算來確定轉換梁的抗扭承載力，此外還可以通過設置雙向轉換梁來平衡扭矩。

當轉換梁承托上部墻體滿跨且不開洞時，轉換梁協同上部墻體共同工作，其受力特征和破壞形態類似深梁，此時轉換梁的截面設計宜采用深梁截面設計方法或應力截面設計方法，且縱向鋼筋應沿全梁高均勻進行布置。由于轉換梁跨中很大范圍內的內力比較大，因此對于梁底部縱向受力鋼筋宜全梁貫通，并全部伸入支座，滿足錨桿要求。當轉換梁承托上部墻體為小墻肢時，此時轉換梁可以按照普通梁進行截面設計和配筋計算，縱向受力鋼筋可集中布置在轉換梁的底部。

2.4框支柱的設計

在本工程中框支柱是非常重要的構件，為確?？蛑е陌踩裕谶M行設計時對柱端的剪力和柱端彎矩乘以相應的放大系數，每層框支柱承受剪力之和取底部總剪力的30%。當采用計算機進行計算時，通常都會假定樓板剛度無限大，水平剪力按照豎向構件的剛度進行分配。而底部剪力的墻剛度遠遠大于框支柱的剛度，使得框支柱分配的剪力非常小。然而在實際工程中，樓板也會發生變形以及剪力墻裂縫，都會造成底部剪力墻剛度的下降，進而會增大框支柱的剪力。因而我國現行規范對底部框支柱的剪力增大也做出了單獨的規定。此外，為了加強轉換層與上下層的連接，框支柱內的縱筋應伸入上部墻體內一層；其余在墻體范圍外的縱筋則應錨入轉換層梁板內，并滿足錨固要求。本工程對框支柱按照1.3%的配筋率進行配置縱向鋼筋，按照1.64%的配箍率進行箍筋的配置。

2.5轉換層樓板的設計

根據傳力途徑，水平剪力通過轉換層傳到下部結構，此時轉換層樓板平面內受力很大，樓板會發生很大的變形，因此對于轉換層樓板應適當加厚，本工程轉換層樓板厚度為200mm的現澆板，厚板有利于轉換層在其平面內進行剪力重分配，同時增強了轉換梁的側向剛度和抗扭剛度，在一定程度上也滿足了在進行結構整體計算時對樓層剛度無限大的基本假定。本工程轉換板的混凝土強度采用C40，并采用雙層雙向鋼筋，每排鋼筋的配筋率為0.28%，此外轉換層樓板應盡量避免大開洞，當無法避免時應在洞口四周設置暗梁，且樓板的開洞位置盡量遠離外側邊，并適當的加強轉換層相近的樓板。

3　結束語

高層建筑梁式轉換層結構的設計，需要根據建筑功能的功能要求以及平面布置，選擇合理整體結構形式和轉換層的結構形式。對于抗震設防區還應準確的確定不同部位的抗震等級。在進行工程設計時，結構設計工程師應對結構進行反復的調整和對比，確保高層建筑結構的安全性以及經濟性。

[1]蔣滔滔.建筑工程梁式轉換層結構設計實踐研究[J].房地產導刊，2015（15）.

[2]陳勇強.探索梁式轉換層的高層建筑結構設計[J].房地產導刊，2015（8）.

[3]馬臣武，胡傳兵.探討高層建筑梁式轉換層結構設計在實際工程中的運用[J].城市建設理論研究，2015（2）.

[4]任常青.淺析現代建筑結構設計中的梁式轉換層結構設計[J].城市建設理論研究，2014（2）.

TU973

A

1673-0038（2015）38-0059-02

2015-8-29

孫醫譙（1980-），男，工程師，本科，主要從事建筑工程結構設計及技術管理工作。