高層建筑梁式轉換層結構設計分析

沈潔

長沙市建筑設計院有限責任公司 湖南 長沙 410007

在現代建筑工程設計與施工中，為滿足功能要求，不得不設置轉換層，而且雖然轉換層結構種類較多，但目前以梁式轉換層最為常用。在實際工作中，應保證轉換梁結構設計的合理性，以充分發揮應有作用效果。

1 工程概況

某高層建筑工程總建筑面積約26000m2，地上共22層，設1層地下室。其中，地上1層至地上4層主要用于商業，地上1層樓層高度為5.0m，地上2層至地上4層樓層高度為4.0m，采用框筒體系。地上5層至地上20層主要用于住宅，樓層高度為3.0m，結構體系與商業用房相同。地上21層至頂層為機房與水箱，樓層高度為3.0m。為滿足以上功能要求，需在地上1層和2層之間設置轉換層，并兼做設備層使用。建筑不在抗震區。

2 轉換層具體方案與分析

2.1 轉換層方案

對于轉換層結構，主要有如下幾種：梁式轉換層、桁架式轉換層、板式轉換層與箱形轉換層。以上結構均能形成較大空間，并實現結構或者是軸線的順利轉變。對于梁式轉換層，具有受力明確、結構設計簡單、施工方便等優勢，在實際中的應用十分廣泛。另外，轉換梁上實際受力相對較小的位置還能設置洞口，可滿足不同的使用功能，為管線布置創造良好條件。基于此，本工程的轉換層主要采用這種結構[1]。

在轉換層中，高度為2.5m，上、下端和樓板直接相連，上、下層樓板的厚度分別為200mm和300mm，直接承托上部墻體；一般采用C40混凝土；截面尺寸采用以下公式計算：

式（1）中，Vmax表示轉換梁支座截面最大剪力組合設計值； 表示為滿足結構抗震設計要求的調整系數；fc表示混凝土結構軸心強度；b表示轉換梁結構截面寬度，為900mm；h0表示轉換梁結構有效高度，為2500mm。

2.2 結構分析

結構分析需要采用相關軟件進行。對轉換梁而言，它屬于桿件，可將其視作梁單元進行結構分析，將軸線確定在上層樓板。

為避免豎向剛度產生較大變化而出現薄弱層，在設計過程中應將上層和下層的剛度之比控制在2以內，并盡可能接近于1，即：

式（2）中，Gi表示第i層的剪變模量；Gi+1表示第i+1層的剪變模量i表示折算后的第層截面積；i+1表示折算后的第i+1層截面積；hi表示第i層的樓層高度；hi+1表示第i+1層的樓層高度。

基于此，對于轉換層下部柱結構，其截面尺寸確定為1100mm×1100mm，墻厚確定為500mm和450mm，采用不低于C45的混凝土；對于轉換層上部墻體，厚度確定為350mm，采用不低于C45的混凝土。采用式（2）可以計算出主軸上的上層和下層的剛度之比，即1.71與1.51。從計算結果中可以看出，前三個自振周期分別為：（1）x方向：1.537s、0.449s和0.224s；（2）y方向：1.717s、0.515s和0.275s。樓層間的相對側移及頂點實際位移都能達到現行規范的具體要求。

3 梁式轉換層結構設計

梁式轉換層結構承托上部墻體，實際受力相對較大，對保證結構安全有重要作用，是必須引起重視的結構構件。結構跨度在8.05～9.00m范圍內，高度為2.5m，跨度和高度之比為3.22～3.60，是典型的連續短梁。由于我國相關規范還未給出這種結構的承載力確定方法，因此，需對兩跨連續短梁實施試驗與分析研究[2]。

3.1 試驗成果

在試驗中采用的梁結構為按1/5比例縮小的模型，如圖1所示，通過試驗與分析可知：

圖1 試驗梁

（1）模型正截面上的平均應變與平截面假定相符。

（2）斜裂縫最先出現于加載點到中支座的內剪跨區段的梁腹中部，即為腹剪式斜裂縫，最終會變成臨界斜裂縫。裂縫分布情況如圖2所示。

圖2 裂縫分布情況

（3）縱筋在梁長度方向上的應變實際分布，與斜裂縫產生前，和彎矩圖基本一致；而產生裂縫后，和彎矩圖出現明顯差別，這在很大程度上說明了梁中存在應力重分布現象；當梁即將發生破壞時，縱筋在全長范圍內處在受拉的實際狀態。

（4）在試驗梁被破壞后，于內剪跨區段中，從臨界斜裂縫上穿過的箍筋處在受拉屈服狀態，使剪壓區中的混凝土被壓疏。邊支座上的外剪跨區到加載點之間的范圍中，從臨界斜裂縫中穿過的箍筋，其應變是屈服應變的一半左右，但混凝土未壓疏。

（5）當試驗梁被破壞時，從臨界斜裂縫中穿過的水平方向上的腹筋，其拉應變一般是屈服應變的一半。由此可以看出，水平方向上的腹筋未發揮應有功能。

（6）從試驗梁撓度檢測結果可知，梁本身是具有良好抗彎剛度與強度的。

3.2 承載力計算

根據上述試驗成果，需將正截面上的受彎承載力依然按照普通梁體結構進行計算；梁體上的受剪承載力一般由箍筋與混凝土共同承擔，此外水平方向上的腹筋也承受一定程度的承載力，但貢獻率不超過11%。在這種情況下，對于水平方向上的腹筋，通常可不予考慮，視作安全儲備。受剪承載力可以采用以下公式計算確定：

式（3）中，λ表示計算剪跨比；ft表示混凝土材料抗拉強度； 表示箍筋的抗拉強度； 表示配置在相同截面中箍筋所有分肢的總截面面積；s表示箍筋之間的距離；b表示轉換梁結構截面寬度；h0表示轉換梁結構有效高度[3]。

3.3 構造要求

通過對以上試驗成果的分析，為保證轉換梁結構在產生斜裂縫以后，所設置的縱筋可以起到應有的拉桿作用，并形成穩定的受力體系，對于底部縱筋，不允許在跨中進行截斷或者是彎起，需要全部伸到支座當中，同時要有可靠的錨固；跨中周圍的頂部縱筋不得過早的發生截斷，在條件允許的情況下，進行通長布置。

梁式轉換層結構的截面尺寸相對較大，在梁高范圍內應設置腹筋。對于水平方向上的腹筋，不僅能提供受彎與受剪承載力，而且還能有效抑制裂縫，對減小溫度因素影響也有重要作用。此外，截面尺寸還和剪壓比有關，應盡量符合式（1）具體要求。

整體結構中，梁式轉換層至關重要，對保證結構安全有關鍵性的作用，結構正常使用時，要求不產生斜裂縫，其截面尺寸要達到以下要求：

式（4）中，Vs表示不考慮地震影響時的支座截面剪力短期效應組合值。

4 結束語

綜上所述，對于梁式轉換層結構，具有受力明確的顯著特點，結構設計較為簡單。本工程所用轉換梁是典型的連續短梁，無論是受力性能，還是承載力的計算，都和普通的梁結構有明顯差異。