帶梁式轉換高層建筑結構研究

摘要：建筑設計，是人類文明的重要活動之一，現代的高層建筑更是能夠最直觀地反映出一個經濟實體的實力與社會的先進程度。進入二十一世以來，全球的經濟水平上升到一個新的高度，建設技術也愈發的成熟，對于建筑的功能要求要求也隨之提高。部分框支剪力墻及梁托柱結構是其中的典型代表，力求公共空間與高層住宅相結合，底部大跨框架或框支結構能滿足大空間的建筑功能要求，而其結構上部采用可以提供更大剛度的并可靈活布置戶型的剪力墻結構，既可提高建筑結構的整體剛度，又能滿足戶型設計的發揮空間。本文對帶梁式轉換的高層建筑結構做深入設計研究。

關鍵詞：高層建筑；轉換層；梁托柱；框支結構

引言

人類文明進入到現代工業文明后，隨著經濟的不斷發展，技術的不斷提高，人們對建筑的功能要求也變得越來越高，可以明顯地發現，現代化的建筑體量愈來愈大，高度愈來愈高，跨度也是不斷增大。自上個世紀七十年代開始，在我國，高層建筑如雨后春筍般迅速興建于全國各地。而對于高層建筑的空間需求，也是逐漸由早先的單一化建筑（商、住分離）向著多功能、多用途的綜合性建筑（商、住、辦公一體化）演變，業主經常會要求建筑師能夠提供一個多功能的建筑設計方案，以謀求經濟利益最大化，常常就會要求建筑物沿高度方向進行功能分區，也即是在建筑物下部樓層布置為商業或者娛樂區域，建筑物中間樓層布置為辦公區域，上部樓層布置為居住區域。這樣的設計要求，從建筑功能上來講，建筑物上部屬于小空間，而下部屬于大空間。

1、轉換層結構理論發展

轉換層結構最早是應用于底層大空間剪力墻結構，其目的是為了擴大底部建筑使用空間。對于轉換層的研究，國外開展的較早，形成了比較全面的理論體系。早在20世紀30年代，德國學者提出了柔性底部大空間結構的概念，這種結構就是為了獲取底部空間的靈活布置而把建筑底部的鋼筋混凝土墻改為鋼筋混凝土柱的一種結構形式，這種概念可以算是轉換層概念的起源。

2、梁式轉換層設計要點

2.1托墻轉換與托柱轉換

結構的轉換分為對上部剪力墻的托墻轉換（一般稱其為框支轉換，部分剪力墻不能落地）和對上部框架柱的托柱轉換（一般稱其為框架轉換）。轉換結構由于抽柱后豎向抗側力構件不連續，改變了上部豎向構件對豎向荷載的傳力路徑，樓層抗側剛度變化較大，屬于豎向布置不規則建筑；由于抽柱不部分的側向剛度減弱，對整體結構的剛度非配產生不利影響，有可能造成結構偏心及扭轉；抽柱后水平轉換構件跨度大，往往達到十幾甚至二三十米的跨度，轉換構件內除了產生彎矩，扭矩，剪力作用外，往往還有軸力作用，受力要比一般水平構件復雜。因此選擇一個合理的轉換方式是轉換結構設計的核心內容，合理轉換方式的的選擇有利于提高結構的安全性、經濟性和適應性。

2.2抗震等級

帶轉換層的框支剪力墻高層建筑結構，其抗震等級的確定首先需確定底部加強部位的位置，無論地下室頂板是否作為上部結構的嵌固部位，其剪力墻底部加強部位的高度應從地下室頂板算起，并取至轉換層以上兩層且不宜小于房屋高度的1/10，約束邊緣構件至少應至轉換層以上3層的高度。

《高層建筑混凝土結構技術規程》3.9節對框支剪力墻結構的加強區與非加強區的抗震等級是區分要求的。當轉換層在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宜比高規3.9節的規定提高一級采用，為特一級時可不提高。規范對托柱轉換結構的抗震等級無明確規定，可以只按常規框架結構的抗震等級確定，但對于轉換層的筒體結構，宜按部分框支剪力墻結構中的框支框架確定。

2.3轉換梁

轉換梁與轉換柱截面中線宜重合，其截面高度不宜小于計算跨度的1/8，托柱轉換梁的截面寬度不應小于其上所托柱在梁寬方向的截面寬度。框支梁截面寬度不宜大于框支柱相應方向的截面寬度，且不宜小于其上墻體截面厚度的2倍和400mm的較大值。托柱轉換梁在轉換層宜在托柱位置設置正交方向的框架梁或樓面梁，以承擔轉換梁平面外的柱底彎矩，減輕轉換梁的扭矩，避免剪扭破壞。為了使結構盡量簡單，盡量不采用次梁轉換，而采用直接轉換。

2.4轉換柱

轉換柱是指從轉換構件（水平構件）以下并與轉換構件相連的框架柱，其高度為基礎頂面至轉換構件頂面。

轉換柱是轉換結構中最重要的構件之一，受力大，破壞后果極其嚴重。地震作用下，底部剪力墻開裂，剛度降低，剪力墻的部分地震作用會轉移到轉換柱承受，因此應采取嚴格的構造措施，箍筋應全高加密，箍筋配箍特征值也應比普通框架柱增加0.02，箍筋體積配箍率不小于1.5%。

在工程設計中為確保框支柱具有足夠的延性，一級轉換柱的柱頂及首層柱底組合彎矩應乘以放大系數1.5，二級轉換柱的柱頂及首層柱底組合彎矩應乘以放大系數1.3，一、二級轉換柱由地震作用產生的軸力應乘以放大系數1.5、1.3（軸壓比可不考慮此系數）。抗震設計時，還需嚴格按照規范要求，調整和控制框支柱承受的地震傾覆力矩和剪力。具體為：每層帶梁式轉換層結構中框支柱的數量不超過10根時，如果底部框支層設在1層～2層，必須確保每一根框支柱所承受的剪力大于結構基底所承受剪力的2%；若框支柱設置在3層，甚至是3層以上，每一個框支柱所承受的剪力必須大于3%。若建筑每一層框支柱的數量超過10根時，1層～2層的建筑底部框支層所承受的剪力，必須大于結構基底剪力的20%，當框支層剪力全部設在3層，或者是3層以上，必須將每一層框支柱所承受的剪力控制在30%以上。框支框架承擔的地震傾覆力矩應小于結構中地震傾覆力矩的50%。

2.5豎向剛度分布控制

帶轉換的結構體系，由于部分豎向構件不連續，導致結構豎向剛度分布不均勻甚至突變，對抗震性能非常不利，因此必須嚴格控制結構的剛度分布處于一個合理的水平。遠離轉換層的樓層剛度比要滿足高規3.5.2-2條對一般高層結構豎向構件側向剛度比的要求，而轉換層附近樓層的側向剛度比還應滿足特殊的要求。

當轉換層設置在2層及以下時，可采用轉換層與相鄰上層的等效剪切剛度比，并控制其比值宜接近1，在抗震設計時不小于0.5。設置在3層及以上時，轉換層與相鄰上層的剛度比在滿足樓層剪力與層間位移的剛度比不小于0.6的同時，還應按高規附錄E.0.3條提供的方法計算轉換層上下部分的剛度比最好接近1，抗震設計時不小于0.8。

3、結語

帶梁式轉換結構的高層建筑結構屬于復雜高層，設計中要考慮各種影響因素，既要滿足建筑及設備專業的功能要求，又要滿足結構設計的安全性，設計人員應對轉換結構有清晰的概念，首先在方案階段對結構體系采取抗震概念設計，合理布置結構體系；后續設計階段采用合適的計算軟件，加強框支柱、框支梁、轉換層樓板等的計算，關鍵構件采取有限元應力分析進行配筋，提高設計計算的準確性。

參考文獻

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