高層建筑梁式轉換層的設計分析

王寶立

大連市建筑設計研究院有限公司 遼寧 大連 116021

1 概述

隨著城市化進程的加快，城市人口也迅速增長，而城市土地面積有限，于是高層建筑應運而生，伴隨對建筑多功能化的需求及技術的發展，一種新的復雜結構形式出現。這種高層建筑，上部具有較小的開間，用于旅店、住宅、辦公等，而下部則需要大開間，用于大堂、商業、文化娛樂等。

這種結構的豎向構件不連續，需在不連續處設置轉換構件，實現力的有效傳遞，由此形成轉換層。常用轉換形式有梁式轉換、桁架轉換、箱型轉換、厚板轉換等。其中梁式轉換具有傳力直接、明確、計算過程相對簡單，施工方便，具有良好的經濟適用效果等特點，在工程中應用最為廣泛[1]。

2 轉換梁類別

（1）鋼筋混凝土轉換梁：鋼筋混凝土轉換梁造價低、施工簡單、技術與經驗較為成熟，但是轉換層數受限制，當轉換層數較多、荷載較大時，梁高較大，不僅影響使用空間，且自重較大。

（2）型鋼混凝土轉換梁：型鋼混凝土梁強度高、韌性好，相比普通鋼筋混凝土轉換梁可有效減小轉換梁截面尺寸，型鋼可有效提高轉換梁的抗剪性能，同時可提高轉換層的整體剛度和抗震承載力。近年來，型鋼混凝土轉換梁在工程中的應用越來越普遍。

（3）預應力混凝土轉換梁：預應力混凝土梁具有較多優點，如鋼材和混凝土用量小、自重輕、裂縫和撓度小，能跨越較大的跨度等。但預應力梁施工工藝較復雜，成本較高，且預應力轉換梁不能有效提高抗剪承載力，所以在減小梁截面尺寸上效果不明顯。

3 框支剪力墻結構和梁托柱轉換結構區別

高層建筑中，常見的梁式轉換主要有框支剪力墻結構和梁托柱轉換結構。這兩種結構雖然都是通過轉換大梁實現豎向構件的轉換，但是在受力性能上，兩者明顯不同。梁托柱轉換結構的轉換梁與普通梁類似，是受彎構件，同時承受較大的彎矩與剪力，軸力相對較小[2]。框支剪力墻中的轉換梁不是受彎構件；由于與上部墻體的共同作用，在轉換梁上部一定范圍墻體內，應力以拱的形式傳遞，使得轉換梁不僅承受彎矩和剪力，還承受較大拉力，所以轉換梁是偏心受拉構件。

4 設計原則

（1）對于豎向不規則的轉換層結構，要解決的關鍵問題就是解決轉換層上下層剛度突變問題，以緩解受力、側移等的突變，避免薄弱層的形成。可通過增加落地剪力墻厚度、混凝土強度等級、在轉換層及以下增設剪力墻、剪力墻中加設型鋼等方法來加強轉換層側向剛度，滿足設計要求[3-4]。

（2）保證轉換梁柱節點的“強節點”原則，保證豎向力及彎矩的傳遞，提高轉換結構的抗震承載能力、延性、耗能能力。

（3）在梁式轉換層中，轉換層上部墻柱的剪力要通過轉換層樓板傳遞到落地剪力墻或框支柱上，板受較大剪力，出現變形。故在整體計算分析時，不應將轉換層樓板處理成剛性樓板，同時應加厚樓板，加大配筋，保證剪力傳遞的有效性。

（4）在轉換層設置與轉換梁正交的梁，承擔與轉換梁正交方向的墻（柱）底彎矩，避免轉換梁承受過大的扭矩作用，保證彎矩的傳遞[4]。

（5）轉換層位置越高，對結構抗震越不利，故設時應嚴格控制轉換層所在樓層[5]。

5 結構計算分析

帶轉換層的高層建筑屬于復雜高層建筑，在結構計算分析時應至少采用兩個不同力學模型的三維空間分析軟件對整體結構進行計算分析對比，確保結構分析的準確性；同時，應采用彈性時程分析法進行補充計算[4]。之后，還應對轉換層及部分上部結構的構件進行局部有限元分析，尤其是框支剪力墻結構。整體計算時，應從周期比、側向剛度比、層間受剪承載力之比、層間位移角等方面去驗證概念設計中對轉換層加強措施的有效性；避免薄弱層的形成，保證力的有效傳遞，提高轉換層的抗震性能。

6 結構構件設計

①結構的傳力途徑在轉換層處發生突變，導致轉換梁及附近相關構件受力大、受力復雜，易產生應力集中。故在構件設計時，除應根據整體分析外，還應對轉換構件進行有限元補充分析。②轉換層是整體結構的薄弱部位，且地震作用下的破壞會造成巨大的人員及財產損失，故設計時應提高轉換構件的抗震性能目標，保證整體結構的安全性。③應提高轉換梁、框支柱等轉換相關構件的抗震等級。④嚴格控制轉換層及以下部分框支柱、落地剪力墻等的軸壓比，保證地震作用下的塑形變形能力，保證結構的安全性。⑤為保證結構具有足夠的承載力及抗震能力，轉換層處的構件應滿足《高規》[4]中相關的計算及構造規定：如構件的內力的放大系數，轉換梁、框支柱的截面尺寸、配筋率、配箍率、轉換梁開洞的位置、構造等，轉換層及相關樓板的構造要求，轉換梁上墻體的構造要求等。⑥當轉換梁內存在拉力，為保證軸力的傳遞，縱筋的連接應采用機械連接或焊接。

7 結束語

（1）對于豎向構件不連續的高層建筑，當采用梁式轉換時，應區分是框支剪力墻結構還是梁托柱轉換結構，根據受力不同及建筑空間使用要求選擇合適材料的轉換梁。

（2）設計時，應從總體設計原則出發，利用概念設計來防止轉換層的側向剛度、層間側移的突變，避免薄弱層的形成，并保證傳力途徑清晰、有效，保證整體抗震能力。并通過兩種不同的三維分析軟件來驗證轉換層設計的合理性。

（3）構件設計時，除應根據整體分析外，還應對轉換構件進行有限元補充分析。通過提高構件抗震性能目標、抗震等級、軸壓比、構造等方面來加強結構構件的承載力、延性，從而提高整體結構的安全性。

[1] 康興榮.高層建筑轉換層結構設計與施工[M].北京:中國建筑工業出版社,2002:77.

[2] 傅傳國,鞠好學,宮志超.高層托柱轉換結構力學特點的分析與比較[J].山東建筑工程學院學報,2003,(2):1-6.

[3] 黃勤勇,呂西林.轉換層上、下剛度比對框支剪力墻結構抗震性能的影響[J].結構工程師,2003,(1):17-23.

[4] JGJ3-2010.高層建筑混凝土結構技術規程[S].北京:中國建筑工業出版社,2011.

[5] 徐培福,傅學怡,王翠坤,等.復雜高層建筑結構設計[M].北京:中國建筑工業出版社,2005:147-149.