概述高層建筑梁式轉換層結構設計原理及其應用

張劍菲

摘 要：梁式轉換層結構設計是多功能高層建筑實現功能轉換中應用的最廣泛的一種轉換層結構設計方法。本文先簡單介紹了梁式轉換層結構設計在國內發展歷程和梁式轉換層結構在高層建筑中應用的設計原則。最后，文中從結構形式、受力機理以及設計要求三方面，對梁式轉換層的設計進行了詳細探討。

關鍵詞：高層建筑;梁式轉換層;結構設計;設計原理;原理應用

改革開來以來，我國城鎮化建設腳步一直在不停加快，城市人口也在快速增長，使得城市土地變得寸土寸金。于是，為了有效利用有限的城市土地資源，提高城市土地利用率，近幾年來，在城市建筑中，建筑結構逐漸向高層建筑發展。并且，這種趨勢現在已經變得越來越明顯，城市高層建筑高度越來越高，結構越來越復雜，同時，高層建筑的使用功能也逐漸呈現出功能多樣化的發展趨勢。比如，在同一棟高層建筑內，將建筑分成上中下三個不同的組成部分，上層為住宅功能區，中層為辦公功能區，下層為購物、餐飲功能區，徹底改變了以往一棟建筑只提供一種使用功能的結構特點。而由于在同一棟建筑內同時實現了多種不同使用功能，每一種使用功能對建筑物建筑結構和建筑空間的要求都不一樣，因此，為了能夠更好的實現不同功能的轉換，需要在建筑物施工結構設計中設置轉換層。目前，在建筑結構設計中應用最廣泛的就是設計、計算以及施工都比較簡單的梁式轉換層結構。

1轉換層概述

當高層建筑底部帶結構轉換層時，轉換層上部的部分豎向構件是不能連續貫通。因此，需要設計出合理的轉換構件。通常轉換構件主要包括轉換大梁、斜撐、箱形結構以及厚板等。厚板轉換受地震影響大，使用時存在較大局限性;箱形轉換的優點是轉換梁的約束性強，剛度大，整體性好，缺點是施工復雜，造價高。目前一般采用梁式轉換，即將上部剪力墻設于轉換梁上，再由轉換柱來支撐轉換梁。其優點是傳力方向明確，設計和施工簡便，造價低。

2梁式轉換層的設計原則

2.1減少豎向構件

在進行高層建筑梁式轉換層的結構設計時，應該最大限度地控制好豎向構件數量。高層建筑豎向構件越多，需要進行轉換的豎向構件就會越多，轉換層造成的剛度突變就越大，對結構抗震就越不利。

2.2轉換柱、剪力墻對稱布置

在布置轉換柱與剪力墻時，應該采用對稱布置的原則。轉換梁上方的轉換柱盡量布置在轉換梁的跨中位置，這樣當轉換梁出現變形時，轉換柱所受到的影響減為最小。否則轉換柱在梁的帶動下，會出現較大變形，其剪切和彎曲應力對轉換柱可能造成損害。

2.3強化轉換層下部主體結構剛度

為保證下部大空間整體結構有適宜的剛度、強度、延性和抗震性能，需要盡量強化轉換層下部主體結構的剛度，適當弱化轉換層上部的結構剛度，以盡量保證轉換層上下部主體結構的變形及剛度特征接近。通常可采用加大轉換層下部主體結構豎向構件的截面尺寸、提高其混凝土強度等級、增加剪力墻等方法，以此來強化下部主體結構的剛度。但在采用增加剪力墻的方法來提高抗側剛度時，要注意整體剛度的均勻分布，保證質量中心與剛度中心盡可能重合，避免由于兩者偏心引起的建筑結構的整體扭轉。

2.4保證轉換層的剛度

轉換層的剛度達不到要求會影響建筑物的抗震效果，因此，帶轉換層結構設計過程中保證轉換層的剛度尤其重要。通常情況下，轉換梁截面高度不宜小于計算跨度的1/8，以有效保證轉換梁結構內力的合理分布，而且也可保證梁上剪力墻柱與轉換梁的受力性能。另外，轉換層樓板厚度適當加厚，混凝土強度適當提高，才能有效提高轉換層的結構剛度。

2.5轉換層位置避免過高

轉換層的位置較高時，易使框支剪力墻結構在轉換層附近的剛度、內力和傳力途徑發生突變，并易形成薄弱層。如果必須將轉換層設置在高位時，需要對轉換層下部框支結構相同效率的剛度進行有效控制，尤其要控制好軸向變形、剪切、彎曲等結構構件的剛度，這種控制措施有利于降低層間內力發生突變。另外，在對落地剪力墻的間距進行設計時，應該比底層框支剪力墻的結構設計更加嚴格。

2.6嚴格計算梁式轉換層

轉換層結構是高層建筑結構設計的重中之重，在對其實際受力變形狀態模型進行計算時，應該采用三維空間整體結構分析方法。必要時可采用有限元方法對轉換結構進行局部補充計算，此時轉換結構以上至少取兩層結構進入局部計算模型，并注意模型邊界條件符合實際工作狀態。

3梁式轉換層的設計要點

3.1轉換梁的設計

（1）由于上部荷載作用點或荷載作用線經常與轉換梁截面中心線不重合，使得轉換梁產生扭矩，而梁的抗扭承載力較低，因此設計時不僅要通過計算來確定抗扭承載力是否能滿足，還應在設計之初就盡量使兩者重合，有條件的情況下可設置雙向轉換梁來平衡扭矩。（2）轉換梁截面尺寸一般由剪壓比控制，寬度不小于其上墻厚的2倍，且不小于400mm;高度不小于計算跨度的1/8。（3）轉換梁受力巨大且受力情況復雜，它不但是上下層荷載的傳輸樞紐，也是保證框支剪力墻抗震性能的關鍵部位，是一個復雜而重要的受力構件，因而在設計時應留有較多的安全儲備，轉換梁上、下部縱向鋼筋的配筋率除滿足計算要求外，還應滿足《高規》最小配筋率的要求。（4）轉換梁受剪很大，在豎向荷載的作用下，轉換梁的梁端最先受到破壞，而且對于這樣的抗震重要部位，更應強調“強剪弱彎”原則，在縱筋已有一定富余的情況下，梁端箍筋更應加強。轉換梁在滿足計算要求的前提下，梁端箍筋加密區的配箍《高規》有明確規定。（5）轉換梁一般為偏心受拉構件，梁中有軸力存在，因而應配置足夠數量的腰筋。腰筋直徑不小于16mm，沿梁高間距不大于200mm，并且應可靠錨入支座內。

3.2轉換柱的設計

（1）轉換柱截面尺寸主要由軸壓比控制并應滿足剪壓比要求。為保證轉換柱具有足夠延性，對其軸壓比應嚴格控制，對部分因截面尺寸較大而形成的“短柱”，軸壓比的控制應更加嚴格。柱截面延性還與配箍率有密切關系，因而轉換柱的配箍率也比一般框架柱大得多。（2）作為重要的豎向構件，為增加安全性，對轉換柱端剪力及柱端彎矩均要乘以相應的增大系數。因為程序計算時，一般假定樓板剛度無限大，水平剪力按豎向構件的剛度分配，而底部剪力墻剛度遠大于轉換柱，使得轉換柱剪力非常小，然而考慮到實際工程中樓板的變形以及剪力墻出現裂縫后剛度的下降，轉換柱剪力就會增加，因而《高規》對轉換柱的剪力增大作了單獨規定。（3）為了加強轉換層上下連接，轉換柱在上部剪力墻體范圍內的縱筋應伸入上部墻體內不少于一層;其余在剪力墻體范圍外的縱筋則水平錨入轉換層梁板內，滿足錨固要求LaE。

3.3轉換樓板的設計

框支剪力墻結構以轉換層為分界，上、下兩部分的內力分布規律是不同的。在上部樓層，外荷載產生的水平力大體上按各片剪力墻的等效剛度比例分配;而在下部樓層，由于框支柱與落地剪力墻間的剛度差異，水平剪力主要集中在落地剪力墻上，即在轉換層處荷載分配產生突變。轉換層樓板承擔著完成主體結構上、下部分剪力重分配的任務，并且由于轉換層樓板自身平面內受力很大，而變形也很大，所以轉換層樓板必須有足夠的剛度作保證。

4 結 語

上世紀70年代開始，我國開始將高層建筑梁式轉換層結構作為高層建筑設計的重要內容，提升了建筑結構控制的效益。結構轉換設計完成了對建筑空間的提升，實現了對常用結構形式的靈活連接及轉變，對我國高層建筑安全指標具有非常積極的意義。

參考文獻

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