高層建筑梁式轉換層結構設計的方法

田曉雪

摘 要：近年來隨著我國社會經濟持續不斷的發展，人們的生活質量及水平也隨之得到了極大程度的提升與發展。進而，對相關建筑物的結構設計及要求也在不斷地增加，以此來更好地滿足人們在日常生活中對停車及購物等方面的要求。

關鍵詞：梁式轉換層；高層建筑；結構設計

1 高層建筑梁式轉換層設計原理分析

1.1 轉換層結構受力分析

設置高層建筑轉換層主要是為了將上部小開間豎向結構荷載傳導至底端大開間豎向結構處，此舉必定會造成一部分豎向結構上下之間的間斷性貫通、豎向構件力傳導不直接，轉換層上、下樓層的抗側剛度出現嚴重彎折，轉換層位置的應力過于集中，并由此導致整體結構受力異常繁雜。同時受到地震效應影響，轉換層有很大概率會發生下端承載力缺失而使薄弱層以及下部軟弱性的變形過大，一旦遭遇地震災害，便會造成整體結構塌陷。因此在進行轉換層的結構設計時就必須要思考如何處理以下問題。（1）如何確保結構力傳導更快、更準確；（2）結構按高度上、下剛度出現的突變來應對并改進；（3）如何就水平位置與豎向位置的構件進行科學布設，以及對轉換構件進行科學化的設計與構造，從設計層面上來促進結構抗震性能的有效增強。此外，轉換層位置的安排對于高層建筑結構所起到的抗震性能有著巨大的影響，底部轉換層位置越高，轉換層上、下剛度突變將會越大，上、下層的結構傳力過程也將更為復雜；同時較高的轉換層位置，落地或是筒體剪力墻就更易發生裂縫現象，剪力墻剛度也會下降，這時框支柱便會得到更多內力，這也會對框支柱的受力效果造成極為不利的影響。在進行結構設計時，不得不對上部結構進行轉換的情況主要包括以下兩種。（1）要轉換的上部結構是剪力墻；（2）要轉換的上部結構是框架。針對第一種情況可在某樓層處設置轉換梁以期能夠實現對上端剪力墻的有效承接，同時將其轉換梁換位由框支柱進行支撐，并以此產生出包括上部剪力墻、框支梁、框支柱所共同承擔的豎向以及水平荷載框支剪力墻結構。

1.2 轉換層結構設計原則

具有轉換層的高層建筑是一種不規則的復雜結構，其剛度相較于一般樓層要明顯得多，且質量也相對更大，因此在出現地質災害時更易成為薄弱位置，由此所引發的后果危害將不堪設想。同時，有研究證實轉換層位置越高，對于結構抗震的效果將會越差，因此一般在進行高層建筑設計時需要確保其底部大空間框支剪力墻結構層數在8度時應不大于3，7度時應不大于5，6度可綜合考慮各方面因素在5層的基礎上予以適當提高，但不具備詳實、可靠的工程依據支持時，不應大于6層。而針對外筒是密柱框架的筒中筒以及框架-核心筒底部大空間轉換層結構來說，因為其自身轉換層上下結構剛度突變不太顯著，上、下構件的內力突變表現也不太明顯，相應地便可將其轉換層的位置予以適當升高，在不具備相關工程施工經驗的情況下，對于層數可依據底端大空間框支剪力墻結構升高一層后再予以考量；若轉換層位置高于以上要求時，則可認定其結構屬于超出限制的復雜高層建筑結構，必須依據相關規定開展設計工作；在抗震設防烈度等于9度時，便應避免在高層建筑結構中采用轉換層的設計方式，在抗震設防烈度為7～8度之間，則不應同時應用兩種以上的復雜結構。此外，若將轉換層位置設置高于地面不小于3層之時，便可將之視作為是高位轉換結構，并需依據有關抗震級別要求進行設置。

1.3 轉換層結構計算分析

具有轉換層的高層建筑其結構為復雜高層建筑結構，在對其展開分析計算時應最少選用不少于兩個力學模式完全不同的三維空間分析軟件來對該高層建筑的結構實施位移計算與內力分析，以期能夠最大程度地保障結構分析的精確性。在完成整體分析處理后，還需針對轉換層實施局部有限元補充分析，并將整體分析所得到的結果作為補充分析外荷載。當前，在工程設計過程中所普遍應用的三維空間分析軟件其計算模式包括有板殼元模型、空間桿系模型、空間桿-墻板元模型。在開展關于框支剪力墻結構整體計算時，選用將空間桿-墻板元作為模型的ETAS=BS與SATWE軟件更加接近于真實的受力情況。

2 高層建筑梁式轉換層結構設計的重點分析

2.1 抗震等級的設計確定

高層建筑在其實際建筑設計中，要注重對梁式轉換層的結構進行設計，這樣才能在建筑結構設計中，實現對建筑的整體性規劃。在高層建筑設計中抗震結構的設計是很重要的，尤其是在地震帶建筑層體的結構設計中，更應該加強對建筑的抗震結構設計，作為高層建筑結構設計的重要組成部分，梁式轉換層結構在其設計過程中也應該注重對建筑的抗震結構設計，因此需要在實際建筑結構設計中運用各種技術確定建筑結構的抗震等級。

2.2 結構層的豎向布置

高層建筑在其實際建筑結構設計中，為了防止剛體結構形變，因此在實際建筑結構設計中，要有針對性的對建筑梁式轉換層的結構布置進行分配，這樣才能在實際建筑層結構的分配中有效的掌握好實際的建筑結構層體布置，一般情況下在進行高層建筑結構的布置設計中采用的是豎向布置結構。一般情況下運用到的豎向結構布置方法有以下幾種：（1）在實際建筑結構設計中要與專業建筑協商，這樣才能在建筑協商中增加剪力墻的數目。只有這樣才能使得建筑層結構在其設計過程中在剪力墻的作用下保障整個的建筑結構豎向布置不會受到影響。（2）在轉化層結構的安排中增加剪力墻的厚度，這樣才能保障整個建筑的支撐不會受到影響，一般情況下將轉換結構下層的剪力墻厚度，可以增加到600mm。（3）為了減少在實際建筑層體設計中的剛度變化，因此應該在實際結構布置設計中將建筑下方的剪力墻進行固定化，在剪力墻的固定上最好不要在其周圍開洞，如果必須要開洞，應該盡量的將洞口減小，這樣才能為建筑的轉換層體結構穩定提供保障。

2.3 規劃結構平面

一個完整的工程結構布局一般由位于上部的純剪力墻結構和下部的形態規則框架-剪力墻結構組成。為了提高抗扭的等級，在規劃結構平面時，要求剪力墻左右對稱，偏心率很小，上下質量與剛度中心誤差小于2m，沿周邊均一分布不包括核心筒。相關計算結果表明，各層水平位移上限與層間位移比均小于1.4，扭轉與平動第一自振周期比為0.85，都符合嚴控扭轉和平面規劃的規定。由此可見，合理規劃工程結構布局可以在一定程度上增強抗扭效果。

2.4 轉換層樓板

以轉換層為界限將框支剪力墻結構分為上部和下部，其內部受力按不同的規律分布。上部樓層根據各部分剪力墻的等效剛度比值進行負載水平力的分配，而下部樓層的水平剪力主要分布在落地剪力墻上，且其與框支柱間剛度不同，使得轉換層在分配所負荷的重力時發生變化。轉換層的樓板本身受到很大的重力，且容易變形，通常扮演著分配上部和下部樓層受力的角色，因此樓板必須具備一定的剛度。此外，為了幫助轉換層樓板更好地完成剪力重分配工作，上下層樓板選用厚度均150mm。

3 結束語

通過應用梁式轉換層還能夠在相關的成本造價、費圖4試驗梁截面尺寸及配筋用方面有一定程度的提升。因此在高層建筑設計的過程中可以通過應用梁式轉換層來保證整個建筑工程設計的穩定性，同時還能夠對相關設計、施工單位的操作進行有效的控制，從而避免產生相關的問題及困難，最終做到優化高層建筑設計，提升整個工程的結構。

參考文獻：

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