高層建筑結構設計中的梁式轉換層結構設計探討

文／王秀梅 北京四方繼保工程技術有限公司 北京 100000

1、高層建筑梁式轉換層結構概述

高層建筑的數量隨著城市化發展不斷增多，當前高層建筑通常為復合型多功能結構，建筑的1 ～3 層一般為娛樂場所或開間商鋪，3 層以上則為正常的民用住宅結構，同一個建筑中融合了不同的使用功能。這種高層建筑的下部豎向構件相對稀疏，而上部豎向構件比較密集，為使上部豎向構件的內力安全有效地傳遞到下部豎向構件，轉換層結構應運而生，而梁式轉換傳力途徑明確、受力性能好、構造簡單、施工方便，因此梁式轉換層結構是高層建筑工程中使用最為頻繁的轉換層結構類型。梁式轉換層結構設計特點：

1.1 協調性

在設計梁式轉換層建筑過程中，根據梁式轉換層自身復雜性，提升設計方案的合理性。應遵循相關設計標準規范要求，結合高層建筑對層數與剛度的要求，重視設計細節并重視變形問題，以提高高層建筑的穩定性與協調性。

1.2 多樣性

梁式轉換層結構具有多樣化的特點，有許多結構類型，在設計過程中，設計人員需要全面考慮影響梁式轉換層結構性能的因素，尤其要注意結構受力情況與穩定性。

1.3 不規則

梁式轉換層結構呈不規則性，大底盤底部具有面積大、結構復雜等特點，其發揮的作用取決于應用的領域。一般建筑下面用于商業辦公、酒店公寓等。

2、梁式轉換層結構的設計原則

2.1 盡可能減少需要轉換的豎向構件的數量

同一層，豎向構件減少的數量越多，其側向剛度與上層樓層相比突變的越明顯，在地震作用下上下兩層的層間位移角以及剪力分布變化越大，因此結構設計過程中，應與其他專業相互配合協商盡可能地減少需要轉換的豎向構件的數量。

2.2 科學設置轉換層

帶轉換層高層建筑結構設計最重要的就是確保轉換層結構上下剛度和承載力的合理性。想要保證轉換層上下層結構之間的傳力效果，設計人員進行結構布局設計時要將轉換層上部豎向構件盡量直接落在轉換層的主結構上，避免多級復雜轉換；轉換層結構不宜設置在較高的樓層上，轉換層上下樓層的結構側向剛度相差較大時，會導致轉換層上下結構構件內力突變，而轉換層位置相對較高時，這種內力突變會進一步加劇，而且轉換層位置較高時，建筑的底部加強范圍會增大，構件的內力、截面以及配筋都會相應地增大，造成工程成本的增加，因此盡量避免結構在高位轉換。如果建筑工程比較特殊必須在高位轉換，此時技術人員要嚴格控制落地剪力墻結構的間隔距離以及結構下部剛度。

2.3 豎向構件在平面上的布置要均勻和周邊化

在實際設計中，由于建筑布置的不合理會出現某個區域豎向構件無法落地的情況，結構設計人員應與其他專業相互配合協調以保證豎向構件在平面上的整體布置是均勻的，周邊化的，不可以出現剪力墻集中出現在某個部位，框支剪力墻集中布置在另一個部位，這對結構的抗側和抗扭都是非常不利的。

2.4 簡化傳力路徑

想要充分發揮梁氏轉換層結構的結構轉換優勢，設計人員在設置轉換層時應盡量避免復雜的傳力設計，盡量簡化轉換層結構的傳力路徑，減少間接的傳力結構。在轉換層設計中要嚴格控制轉換層結構的縱向構件使用數量，降低多級轉換的頻率。

2.5 精準計算

計算分析是結構設計的關鍵步驟，計算各種狀態下的轉換構件受力情況，在進行受力計算時，需要對三維空間進行整體計算，模擬其實際受力變形狀態，據此對整體結構進行有效分析，在整個計算過程中最重要的就是保證模型數據的真實性，建立以梁柱、剪力墻等重要結構為基礎的計算模型，并結合梁式轉換層結構的設計要求及轉換層結構需要達到的剛度標準和傳力效果等進行反復計算求證。

3、梁式轉換層結構的設計要點

3.1 轉換大梁設計

結構整體計算時，轉換梁作為一根桿件參與計算，轉換梁與上部的剪力墻協同工作情況考慮不夠，因此再用其他有限元軟件相對準確地模擬邊界約束情況進行局部有限元分析來計算相應部位的配筋；同時考慮到轉換梁的受力特點實際為偏心受拉，因此設計時可以適當地增大轉換梁下部的縱向受拉鋼筋的配筋量；上部剪力墻的布置盡量布置在梁的軸線上，但實際工程中不可避免地會出現偏心的情況，此種情況下還應單獨復核轉換梁的抗扭強度，考慮梁的抗扭構造措施；結構整體分析時上部剪力墻對轉換梁支座的垂直壓力作用反映不夠，設計中還應將剪力墻底部的總垂直力作為轉換梁的荷載進行抗剪強度的復核，以確保梁的受力安全。

3.2 框支柱設計

框支柱是轉換層非常重要的豎向受力構件，因此規范從多個方面加強框支柱的抗震措施以確保框支柱乃至整個建筑的受力安全。結構設計人員設計的時候應當慎之又慎考慮周全。必須準確確定底部加強部位以及構件的抗震等級，判斷是否有薄弱層以及薄弱層的位置，判斷是否考慮豎向地震的影響，正確考慮框架柱以及框支柱的剪力調整。

3.3 樓板設計

結構整體分析時采用的是樓板平面內剛度無窮大的假定，在轉換層的交界處內力突變，樓板傳遞很大的內力，所以為了減少總體分析的誤差保證模型接近樓板平面內剛度無窮大假定，就需要加大樓板的厚度，同時也可以提高轉換梁的抗扭能力，規范規定不宜小于180mm，設計人員設計時可以根據轉換層上下兩層的剛度變化以及內力變化情況適當調整，當上下變化較大時可以加厚樓板以利于該部位內力的傳遞和重分布。另外盡量避免在轉換層樓板處開大洞，如果要開洞，洞口周邊設梁加強，洞口周邊的樓板加厚處理；洞口宜布置在建筑的中間部位，距周邊應有較大距離;如果不得不將電梯間或樓梯間設置于大空間部位，宜將洞口用鋼筋混凝土墻圍成筒體。

3.4 框支梁截面尺寸設計

框支梁結構是高層建筑轉換層中的關鍵受力構件結構，其不僅負責轉換層上下結構的荷載傳導，還能強化剪力墻結構的荷載效應和穩固程度。為此，工程設計人員在進行框支梁構件的截面尺寸設計時，要根據結構的抗震等級采取相應抗震設計措施來滿足結構抗震需求。例如，如果建筑工程抗震等級為特一級，建筑轉換層中框支梁構件的配筋率要控制在0.6%以上。由于偏心受拉轉換梁存在一定軸力，因此設計人員需要在該構件中加設抗扭腰筋，腰筋需要插入構件支座的內部，梁高的間隔距離不得超過200mm，這樣能夠增強框支梁的抗拉性能。框支梁作為轉換層中關鍵傳力構件，設計人員進行結構設計時要遵循“弱彎強剪”的原則，確保結構中縱筋配置數量符合標準的基礎上，還要增加箍筋的數量。設計人員需要強化箍筋密度，一般要將構件的配箍率提升到1.5%以上，這樣才能滿足該抗震級別中的框支梁結構箍筋標準。

3.5 基礎設計

基礎設計直接影響著超高層建筑的使用質量，需要提高基礎設計的科學性，避免后續的建筑施工受到影響。為解決超高層建筑使用中的傾斜問題，需要提高對基礎設計的重視程度，做到合理設計建筑物埋入地下的深度，確保基礎設計符合工程的實際情況。對于超高層建筑中基礎的埋深設計，要求設計人員充分考慮建筑的荷載分布、結構高度、地質條件等情況，選出最合理、最經濟的方案。同時，一般在超高層建筑結構設計中，經常選擇多層地下室，必須保證基礎嵌固端的剛度達到要求，防止地基基礎發生位移的狀況，從而保證建筑結構整體的穩定性。

3.6 受力性能設計

在超高層建筑結構設計中，需要充分考慮建筑整體的受力性能，若是建筑結構的受力性能無法達到要求，勢必會影響建筑使用的安全，也會帶來較大的建筑維修成本。在超高層建筑的受力性能不過關的情況下，環境因素對建筑安全的影響較大，經常出現各種各樣的建筑破損問題。因此，設計人員需要對建筑物的受力性能及其向下作用力進行充分考慮，不斷優化原本的設計方案，對超高層建筑存在的受力問題進行處理，使建筑質量得到保障。同時，需要準確統計超高層建筑的承重墻及承重柱子，對平面設計圖的內容進行分析，確保建筑的承重分布合理，提高建筑自身的安全性。在分析超高層建筑結構的時候，可以采用計算簡圖完成這一工作，選擇空間分析法對建筑整體進行分析，還可以選擇不同的力學模型通過軟件對其進行復核，使建筑物的受力性能問題得到切實解決。

3.7 提升剛度設計

在梁式轉換層結構設計過程中，布局階段應遵循對稱性原則，保證底盤中心與塔樓高度相同，以提升結構的剛度，避免結構變形。在高層建筑施工中，只有增加底盤樓板的厚度，才能提升周邊鋼柱的剛度。另外，在設計梁式轉換層結構時，要結合建筑結構實際受力情況，通過借助計算機，運用科學的計算方式，使設計方案更具合理性。在單塔設計、多塔設計時需掌握重點部分，保證結構剛度與高層梁式轉換層結構設計相符，充分發揮大底盤結構的優勢，使高層建筑結構更加穩定。

3.8 完善建筑結構的設計圖紙

設計人員在設計多層建筑框架結構時，有必要充分考慮工程施工中那些細枝末節的數據信息，在設計圖紙中明確的標示清楚，不能為了方便而將某些信息省略掉。究其原因就在于：必須嚴格根據多層建筑框架結構設計圖紙開展建筑工程的施工操作，一旦出現某些數據信息不明確、不清晰的情況，就會直接影響整個工程。同時，在圖紙設計過程中要求設計人員的工作態度必須嚴謹、認真，不得馬虎將就，即便是已經完工的設計圖紙也需要進行反復的檢查與考證，以此才能獲得準確的圖紙信息，且能夠及時發現其中的問題，及時地查漏補缺，從而可以為整個建筑工程的施工質量提供充足的保障。

3.9 優化短柱設計

短柱問題一旦發生在框架結構設計中，受地震作用的影響，導致短柱出現脆性破壞的可能性比較大，這是由于隨著短柱抗剪承載力、變形能力的缺失，極易對建筑物的整體性造成很大的破壞，這也說明短柱問題在多層建筑結構設計中無法避免。關于短柱問題的處理，需要設計人員適當的增加柱本身的抗剪承載力，這對于提升其變形能力至關重要；在加密處理箍筋時可以借助復合箍筋，將鋼筋縱向對稱的布置在短柱上，要求縱向配筋率必須控制在1.2%以內，然后，結合實際情況來確定應用具體采用哪種處理方式，諸如外包鋼板、X 形配筋等。除此之外，有必要強化抗震設計。（1）確定梁的高度。為保證多層鋼筋混凝土框架結構設計與相關抗震要求相符，設計人員需要對梁的高度進行充分考慮，如果一時不能將具體合理值確定下來，則最好選擇較大地值，防止造成梁剛度過小的情況。（2）確定梁端負彎矩取值。該負彎矩在豎向荷載的作用下一般比計算值要大，盡管可以增加鋼筋數量，但是，極易造成抗彎儲備過高的情況。為此，在具體計算過程中有必要選擇小的負彎矩鋼筋值，并松弛跨內鋼筋。鑒于當前設計隊伍的專業化水平較低，為進一步提高工程建設質量，就必須致力于其專業化水平的不斷提高。為此，有必要定期組織團隊內部人員開展崗位培訓，在招聘團隊成員時，需重視專業人才的引進，同時，在實踐過程中加強訓練。

3.10 建筑結構防腐設計

建筑結構防腐設計既是提高建筑結構抗腐蝕能力的重要途徑，也是保證建筑結構安全的一項關鍵措施。在施工過程中，工作人員需要嚴重控制建筑材料的質量。在使用材料時，工作人員需要做好材料的保護工作，避免材料因運輸不合理、儲存不當而損壞。同時，工作人員需要做好房屋的防潮、防水工作，防止因滲漏問題而影響建筑的安全性和耐久性。針對有特殊要求的建筑，工作人員需要采取有效措施來減少或者消除這些危害，比如：可以采用非承重墻體加固的方式來保護墻體結構；可以利用抗裂砂漿來增加保溫層的抗裂能力和提高保溫層表面強度。

結語：

帶轉換層的高層建筑屬于復雜的高層建筑，但如若把握好設計要點復雜的高層建筑也將不再復雜，本文從梁式轉換層結構的設計原則和設計要點來闡述設計過程中應該注意的事項，以供設計從業人員實際工作中參考。