有梁式轉換層的高層建筑結構設計研究

姚建勇（廣州市民用建筑科研設計院）

有梁式轉換層的高層建筑結構設計研究

姚建勇（廣州市民用建筑科研設計院）

隨著我國建筑行業的不斷發展，我國的大型建筑與高層建筑也越來越多，而作為建筑施工中一項非常重要的內容-建筑梁式轉換層，直接關系著建筑的穩定性，企業利用建筑梁式轉換層，能夠使高層建筑工程中的空間結構更加合理，而且利用這種建筑結構有利于均衡受力，這使得高層建筑更加穩固更加安全。所以，在進行建筑施工時，我們應該對建筑梁式轉換層結構進行設計分析與應用。

建筑；梁式轉換層；結構設計

引言

隨著我國城市化進程的不斷加快以及城市人口的不斷增加，使得我國城市用地面積日益萎縮。在這一背景下，我國的建筑行業逐漸加強了對高層建筑的構建，繼而由此滿足城市居民的居住需求。事實上，在建設高層建筑的過程中，為了推動建筑工程不同功能區的實現，需要施工隊伍加強對轉換結構的使用。而梁式轉換層憑借其施工簡單等優勢，獲得建筑行業的青睞，并在建筑過程中獲得了廣泛應用。

1 梁式轉換層結構設計技術可行性分析

1.1 概述

為了能夠達到人民對建筑質量的要求，在高層建筑的施工過程中我們常常使用梁式轉換層。轉換層的種類很多，合理利用各種轉換成的基礎是我們能夠對它的原理進行分析和了解。所以首先我們應該對梁式轉換成的設計原理進行分析。梁式轉換層結構的傳力途徑為墻、梁、柱的形式，受力直接方便計算。

1.2 可行性分析

梁式轉換層由兩部分組成：①框支柱；②框支梁。框支柱決定框支層的類型，以及層數，可以說框支柱在轉換層的結構中占有比較重要的地位，我們在進行轉換層結構的設計之前，需要對框支柱進行一定的設計和選取，因為不同的框支柱的承受力，剪力都不相同，建筑單位需要根據自己計算出的梁式轉換層的各項參數標準來選取合適的框支柱。例如當高層建筑所使用的框支柱在十根以上，那么框支層的數量也就是一層或者兩層。再者就是框支梁，框支梁截面的設計關系到梁體整體的穩定性，所以施工單位應該重視它的設計。而設計框支梁需要顧及到多種因素，比如說框支梁的設計參數高度需要考慮它的跨度，而它的寬度通常由高層建筑墻體的厚度決定。因為在高層建筑中，框支梁承受多方力，我們無法準確判斷受力的來源，所以說建筑單位在進行轉換層的設計時必須嚴格規劃框支梁，使其達到標準。所以在進行梁式轉換層結構的設計時，我們需要注意各種方面，并協調各個結構，使他們能夠配合起來，共同為高層建筑的穩定發揮作用。

2 高層建筑梁式轉換層結構的設計原則

2.1 降低豎向構件的使用

在進行結構轉換的設計時，豎向構件的使用并不少見。過多豎向構件的使用會使轉換層結構的穩定性及強度漸漸變小，容易導致建筑結構的穩定性降低，不利于提高建筑結構的抗震性能，所以應合理分布豎向構件。

2.2 對稱設置轉換柱和剪力墻

在設計時，要將轉換柱和剪力墻進行對稱放置的方式。立柱的轉換會使整體結構受到影響。一般來說，對稱的結構較為穩固、不易變形，所以，對稱放置轉換柱和剪力墻是最好的選擇，可極大增強建筑的穩定性，從而達到防震的目的。

2.3 增強轉換層下部主體的結構剛度

在設計過程中應考慮采用增強下部主體結構、弱化轉換層上部剛度，使轉換層上下部之間結構變形與抵抗彈性形變的能力之間達到協調統一、相互一致的方法來保證建筑物整體結構具有較好的抗震性和較強的剛度。增強下部主體結構抵抗彈性形變的能力的主要方法存加大轉換層下部主體結構的截面面積、增加剪力墻數量、增強混凝土的強度等方法。

2.4 確保轉換層足夠的剛度

在進行建筑結構設計時，應注意調整高度和跨度的比例。合理的比例才會來確保轉換層具有足夠的剛度，這樣才可以有效地確保內力在轉換層和下部構建的合理分配，轉換梁和剪力墻柱的受力性能相對較好，才能夠對結構發揮重要的作用。

2.5 轉換層結構位置不能過高

過高的轉換層會對建筑的抗震能力大大的削弱，轉換層過高會使轉換層周圍的框支剪力墻的內力和強度大打折扣。所以在設計高位轉換的時候，為減少層間內力突變和位移角，要仔細分析軸向變形剛度、彎曲剛度、剪切剛度等來控制轉換層下部構件的剛度。除此之外，落地剪力墻之間的間距也應進行嚴格的控制，且不可小覷。

2.6 全面計算轉換層結構

建筑整體結構中的重要組成部分一一轉換層結構，在對其受力變形狀態模型進行具體計算時，要精確分析建筑的三維空間結構，如應用有限元來補充和計算局部的轉換結構。與此同時，還要考慮調整模型的外部條件使其符合具體的適用情況，以及轉換層結構上部的局部模型計算。

3 案例分析

3.1 工程概況

某市新建廣場其中一個地塊包括地下兩層車庫，地上4棟單體建筑，分別含有裙房和塔樓，裙房和塔樓建設在地下室大底盤上。該地塊有效用地面積17958.422m，建筑面積為87157.842m，地上建筑面積為64082.562m，地下建筑面積為23075.282m，容積率為3.625。為了滿足擬建建筑物的使用要求，即建筑物的1～2層作為商用場地，2層以上作為民用住宅，需要在建筑物的第三層布設轉換層，為滿足建筑物功能使用要求，最后選用框架——剪力墻結構。

3.2 方案選擇

目前高層建筑轉換層形式布局復雜多樣，依本工程的特點來看，上部起到承重作用的只有7層，這類層數相對較少，所以決定采用普通鋼筋混凝土框架柱。在施工方還沒有敲定方案之前，對以下三種結構形式進行經濟上和技術上的比較，從而確定什么樣的方案更合理、經濟。

（1）方案一：剪力墻和柱+實腹梁式轉換層+鋼筋混凝土框支柱；

（2）方案二：剪力墻和柱+箱型轉換層+鋼筋混凝土框支柱；

（3）方案三：剪力墻和柱+厚板轉換層+鋼筋混凝土框支柱。

3.3 各方案尺寸選擇

3.3.1 豎向結構尺寸

各轉換層結構的主要豎向結構截面尺寸布置情況如表1所示。

表1 各轉換層方案豎向構件尺寸（單位：mm）

3.3.2 水平結構尺寸

各轉換層結構主要水平轉換構件的尺寸如下：

方案一：實腹梁式轉換結構構件尺寸

表2 梁式轉換層結構構件尺寸

方案二：箱型轉換結構構件尺寸

箱型轉換結構的肋梁應考慮上部軸承垂直結構的厚度，截面尺寸通常由剪壓比控制，其厚度不應小于400mm，高度可根據跨度確定，通常可取1/5～1/8跨度，此外，為了確保有足夠的剛度，使結構箱形轉換層具有良好的完整性，箱型轉換，下板厚度不應小于180mm。箱式轉換如圖1～2所示。

圖1 箱型轉換

圖2 箱型轉換剖面圖

方案三：厚板轉換結構構件尺寸

厚板轉換層結構的厚度需要考慮的因素較多，如受沖切、受剪、受彎等，通常可以取軸網距離的1/3～1/6，厚度一般在1～3m，因為轉換厚板的面積較大，宜盡量取小一些，降低工程造價。根據本工程的特點厚板厚度取為1200mm。

3.4 轉換層結構形式確定

3.4.1 方案一：實腹梁式轉換層結構的優缺點

梁式轉換層結構是實際工程中應用最為廣泛的一種結構形式，其具有設計思路明確、計算分析簡單、施工方便等特點。在該項目中，需要轉換的垂直構件基本上直接落在轉換梁，少數幾處需要做二級轉換，在結構安排上，上部轉換構件的中心線與梁式轉換結構應力重疊，整體轉換受力是有利的，梁式轉換結構質量和剛度都大，設計時需采取有效措施改善。綜合考慮，梁式轉換層結構形式的幾種改造方式更為經濟合理。

3.4.2 方案二：箱型轉換層結構的優缺點

箱形轉換層結構的整體剛度、抗彎、抗剪、抗扭轉能力強，能有效減少應力集中的出現，可以緩輕轉換層剛度突變情況，有利于結構抗震；但箱式轉換層結構的自重較大，會增加垂直結構的負擔，此外箱型結構多用于轉換層結構作為設備層的建筑中。綜合考慮，本工程采用箱式轉換層結構是不合適的，相對于梁式轉換層結構期受力性能提升很小，但材料使用成本增加了，而且施工過程較為繁瑣，整個項目的成本是比較高的。

3.4.3 厚板轉換層結構的優缺點

厚板轉換層結構優勢在于頂部垂直組件可以任意排列，以滿足建筑物使用要求。厚板轉換層結構的剛度大，受力復雜，地震作用下會引起強烈的地震響應，轉換層結構上下剛度大，容易產生應力集中，因此抗震性能差；厚板轉換層施工結構復雜，材料消耗成本是非常高的。根據該項目的特點，建筑軸線網的布局規則，垂直分量轉換層以上直接轉換為下層的垂直分量，轉換形式不復雜，因此無需使用厚板轉換層結構。

4 結語

隨著我國城市化進程的推進以及城市人口的激增，使得建筑行業為了滿足城市居民居住的需求，加強了對于高層建筑的構建。事實上，為了進一步提高工程建筑的質量，其還加強了對于梁式轉換層的設計。本文主要分析了高層建筑梁式轉換層結構設計原理，并就南京市某高層建筑為例，分析了高層建筑梁式轉換層結構的設計步驟。隨著相關措施的落實，我國的高層建筑必將獲得長足的發展，并推動我國社會的不斷發展。

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TU973

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2095-2066（2016）34-0168-02

2016-11-23