论梁式转换层结构设计在高层建筑的应用

陈育君

广东省建科建筑设计院有限公司

摘要：介绍了高层建筑梁式转换层的结构形式，对高层建筑结构梁式转换层受力特点进行了分析，转换梁设计时的注意点，工程实例的施工措施。

关键词：高层建筑；梁式转换层；受力特点；施工措施

1概述

上世纪70年代中期，我国高层建筑发展迅速，建筑功能多样化，底部多布置大空间，上部多布置小空间。为满足建筑功能的使用要求，结构转换层设计实现了建筑从小开间的住宅到中等开间的办公楼，再到大空间的商场的变化成为可能。梁式转换层结构则作为高层建筑中实现垂直转换的常用结构形式。本文主要从高层建筑梁式转换层的设计方法着手，结合工程实例，对梁式转换层结构的受力特点进行分析，从而使梁式结构转换层的受力更加清晰。

2梁式转换层结构形式和受力特点分析

高层建筑结构下部受力比上部大，在高层建筑结构的设计中考虑下部的刚度要大于上部结构的刚度，结构构件沿竖向刚度均匀变化，应避免刚度突变，尽可能多的上下贯通构件。在常规设计中，常采用的措施就是下部增加墙体、增加柱网，而上部逐渐减少墙柱的密度。但在以往的工程实例中，由于必须满足建筑功能的使用要求，下部采用密集的柱网是不现实的，因此对高层建筑结构的设计就常要考虑反常规设计方法。而梁式转换层结构形式，下部既可以满足建筑大开间的要求，又可以适当减小上部结构的的质量及刚度，上部荷载较为均匀的分配到下部结构构件，使整体结构受力较为合理，增强结构的可靠性，同时节约建筑材料从而降低工程造价。

2．1梁式转换层结构形式

实际工程中应用的梁式转换层结构有多种形式，主要原理就是利用下部的转换大梁来支托上部结构，根据其受力特点可分为以下儿种形式(图1)：

2．2粱式转换结构受力特点分析

一般的梁式转换层结构的传力路径：剪力墙或柱——转换梁——柱或剪力墙。传力直接，便于分析计算。转换大梁的受力主要受上部剪力墙刚度、剪力墙与转换大梁的相对刚度、转换大梁与下部支撑结构的相对刚度影响。转换梁结构与上部墙体共同工作的性能可通过有限元程序进行分析，从分析结果中可知，对一般结构转换大梁(跨度小于12m)，上部墙体考虑三层~五层内力的设计控制内力差异不大于5％，故在分析计算时可只考虑计算3层。只要转换大梁上部有墙体，墙体有一定的长度，那么转换大梁中的弯矩就会比不考虑上部墙体作用要小，同时转换大梁也会有一段范围出现受拉区。其原因：一是由于转换大梁处于结构整体弯曲的受拉区，应力积分后在转换大梁中就会出现轴向拉力，二是由于上部墙体竖向力作用于转换大梁时形成了拱的传力方式，这样竖向力转变成斜向力作用于转换大梁，从而在转换大梁跨中出现拉力，支座出现轴向压力的情况。受力示意图，见图2。

2.3工程实例

某A高层商住楼，是集商业、住宅为一体的多功能建筑物。地下2层，地上裙楼4层，塔楼为26层。其中首层~四层为商业裙楼，首层层高5m；二、三层层高4.4m；四层层高6.3m；五层设置为结构转换层，层高5m；六层~三十一层为商业住宅，层高均为3m。原建筑设计方案为厚板转换。虽然厚板转换能较好的解决上部建筑布局灵活的问题，但其上下结构的刚度的突变，以及在转换层楼板处集中了较大的质量和刚度，使其在地震力作用下会产生很大的反应，且在转换层及其上下相邻楼层会产生较大的层间位移，成为结构的薄弱环节。为较好的避免产生此类问题，同时满足建筑使用功能的要求，最后主体采用梁式转换结构体系，及小部分采用二次转换。本工程下部柱距主要有9m、10m、8.1m几种，柱网不规则，由斜交柱网与正交轴网组成。为了更准确分析转换层的受力，本工程采用中国建筑科学研究院的PKPM结构计算软件中的SATWE进行计算，PMSAP进行验算。最终确定转换梁截面，跨度9m的约为1.5x2.6m;跨度10m的约为2.0x2.6m；跨度8.1m的约为1.5x2.3m，框支柱截面则由柱轴压比控制。其中因考虑转换梁受剪较大，强调“强剪弱弯”原则，考虑转换层的重要性等各种因素，结构受力构件的配筋率都控制在较为合理的范围内：转换梁的纵筋配筋率控制在1.2~1.4%,配箍率1.2~1.6%；上部墙端部设暗柱（有柱的除外），配筋率2%，分布筋配筋率控制在0.62%左右，框支柱纵向配筋率1.5%~1.8%,体积配箍率1.2%。

3转换层结构的设计原则

高层建筑的侧向刚度宜下大上小，且应避免刚度突变，然而带转换层的结构显然与其相悖。故转换层结构的设计原则应是强化下部，弱化上部，避免出现薄弱层。所以设计时遵循以下原则：

1）布置转换层上下主体竖向受力构件时，注意使尽可能多的使上部竖向受力构件向下落地连续贯通，尤其框架核心筒结构中核心筒应上下贯通。

2）弱化上部，强化下部，抗震设计时应保证转换层上、下部主体结构的总剪切刚度比值不大于2。

3）尽可能减少需结构转换的竖向构件，直接落地的竖向构件越多，转换结构越少，转换层造成的刚度突变就越小，对结构抗震更有利。

4）优化转换层结构。选择具有明确传力路径的转换层结构型式，尽量避免二次转换，以便于结构分析设计和保证施工质量。

5）将转换结构作为整体结构中一个重要组成部分，应采用能准确模拟实际受力变形状态的计算模型进行三维空间整体结构计算分析，同时可采用多种不同的有限元软件对转换结构进行局部补充计算及验算。

4转换梁设计的注意要点

1)转换梁设计在高层建筑转换层设计中较为常用，在实际应用中，通带把转换层作为设备层来使用。因此，在转换梁设计中要考虑腹部开口相对大小和开口位置。

2)尽量避免转换层与下部结构竖向刚度产生突变，对下部结构在满足建筑物使用功能要求的基础上，应提高下部结构的截面尺寸，增加剪力墙同时底部的剪力墙应尽量避免开洞、提高混凝土的强度等级。

3)考虑转换梁与上部结构共同工作程度时应全面，将完全、部分和没有共同工作三种情况都分析清楚，避免分析计算梁的跨中弯矩和支座剪力时，与实际情况发生很大差异。

4)设计时要充分考虑施工的可操作性和满足建筑外观的要求

5施工措施

不同的工程根据不同的设计、现场施工条件等因素，会需要不同的施工措施来应对各种实际工程在施工过程所产生的问题。现以2.3提到的工程实例为例。

1）大体积混凝土水热化大的问题。在本工程中为解决此问题，在施工过程中，在转换梁内预埋水管，采用冷水循环冷却，从混凝土内部开始降温，解决热涨所带来的裂缝及变形。

2）施工过程中产生的施工荷载问题。为了减轻转换梁施工的荷载、转换梁分了两次浇筑，施工缝设在转换梁中和轴附近，第一次浇筑后，待混凝土强度达到要求以后，将施工缝表面混凝土凿毛并清洗干净后浇筑第二次混凝土。

6结束语

本文讨论的只是高层建筑转换层结构设计方法之一，对高层建筑转换层受力特性还有许多需要研究的地方，如板式转换、桁架转换、箱形转换、斜柱转换，巨型框架等转换层的受力特征。随着现代高层建筑平面复杂多样化，在对转换层进行设计时应结合工程实际情况选择合适的方法。

参考文献：

1、赵西安，《现代高层建筑结构设计》

2、《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）

3、《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）

4、《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）