梁式转换层结构设计的分析

刘立

广东城协建筑规划设计院有限公司511515

摘要：梁式转换层结构作为高层建筑中能够实现垂直转换的构件得以广泛应用。在梁式转换层的高层建筑结构设计中，转换层结构设计是建筑整体结构设计的一个重点和难点。本文结合实例，对梁式转换层结构设计进行了论述，以供同行探讨。

关键词：梁式转换层；结构设计；要点

引言

由于在同一栋建筑内同时实现了多种不同使用功能，每一种使用功能对建筑物建筑结构和建筑空间的要求都不一样，因此，为了能够更好的实现不同功能的转换，需要在建筑物施工结构设计中设置转换层。其在工程运行的过程中会使得整个建筑的稳定性和可靠性受到较大的影响，所以我们一定要采取有效的措施对为其予以高度的重视，从而使得整个工程的质量得到非常好的保障。

1.梁式转换层结构的设计原则

梁式转换层结构是一种利用下部的转换大梁，将上部剪力墙落在框支梁上，再由框支柱支撑框支梁的结构体系，由于其具有传力路径清晰快捷、构造简单、施工方便等优点。但在结构总体设计时，特别是在抗震设防地区，应遵循的如下原则：

1.1传力直接，避免多次转换

布置转换层上下主体竖向结构时，要尽量使水平转换结构传力直接，通过结构的合理布置，使不落地的剪力墙通过转换托梁直接传给竖向承重构件，尽可能的避免转换次粱及水平多级转换，实现传力路径的最短化。

1.2强化下部、弱化上部

保证空间有适宜的刚度、强度、延性和抗震能力，要有意识的强化转换层下部主体结构刚度，弱化转换层上部主体结构的刚度，使得转换层上下部主体结构的刚度及变形特征尽量接近，避免出现薄弱层。

1.3计算全面准确

采用有限元方法对转换结构进行局部补充计算时，转换结构以上至少取2层结构进入局部计算模型，同时应计及转换层及所有楼层楼盖平面内刚度，计及实际结构三维空间盒子效应，采用比较符合实际边界条件的正确计算模型。

2.梁式转换层结构的关键设计

2.1转换粱的截面设计方法

2.1.1托柱形式转换梁截面设计。当转换梁承托上部普通框架时，在转换梁常用截面尺寸范围内，转换梁的受力基本和普通梁相同，可按普通梁截面设计方法进行配筋计算。当转换粱承托上部斜杆框架时，转换梁将承受轴向拉力，此时应按偏心受拉构件进行截面设计；

2.1.2托墙形式转换梁截面设计。当转换梁承托上部墙体满跨不开洞时，转换梁与上部墙体共同工作，其受力特征与破坏形态表现为深梁，此时转换梁截面设计方法宜采用深梁截面设计方法或应力截面设计方法。

2.2转换粱的设计与构造要求

2.2.1转换梁的截面尺寸一般宜由剪压比计算确定，以避免脆性破坏和具有合适的含箍率；

2.2.2转换梁不宜开洞，若需要开洞，洞口宜位于梁中和轴附近。洞口上、下弦杆必须采取加强措施，箍筋要加密，以增强其抗剪能力；

2.2.3转换梁的混凝土强度等级不应低于C30。转换梁上、下主筋的最小配筋率非抗震设计时为0.3%，有接头时，宜采用机械连接，且同一截面内钢筋接头面积不应超过全部主筋截面面积50%，接头位置尚应避开上部剪力墙开洞部位、梁上托柱部位及受力较大部位。

2.3上部框架设计和构造要求

2.3.1转换结构上部框架须按强柱弱梁的原则进行设计，确保塑性铰在梁端出现，使柱比梁有更大的安全储备；

2.3.2转换层结构的试验研究表明，与转换梁相连的柱子往往是薄弱环节；转换梁上层框架梁柱受力复杂，应力集中，设计时应根据实际受力情况进行较准确施工模拟计算分析；

2.3.3上部框架柱纵向钢筋最小配筋率为：抗震等级一级时不宜小于1.0%，抗震等级二级时不宜小于0.8%，抗震等级三级时不宜小于0.7%，抗震等级四级、非抗震设计时不宜小于0.6%，且钢筋间距不宜大于200mm，不宜小于80mm。

3、实例探析梁式转换层结构设计要点

3.1工程概况

该工程是属高层商住楼，由商业裙楼及1幢高层塔楼组成，地下3层，地上26层。其中地下室层高4.8m，布置设备用房及停车库，地下2层、3层设六级人防。地上1～3层为商业用房，层高4.5m；第4层为转换层，层高5.7m；4层以上为剪力墙结构住宅。住宅除第24层层高为4.2m外，均为3.0m层高。26层以上为机房，室外地坪以上主体高度为86.70m，建筑总高度92.7m。该工程按地震烈度6度设防。基本风压0.35kN/m2，承载力设计时按基本风压的1.1倍采用。

3.2梁式转换层的结构设计要点

3.2.1抗震等级的确定

工程转换层以下为框架-剪力墙结构，转换层以上为纯剪力墙结构，是多种结构形式共存的复杂高层建筑，应该严格按照现行规范的不同章节，有针对性地分别确定结构体系各部位不同结构构件的抗震等级。

该工程属“框支剪力墙”，高度86.7m，6度设防，框支层框架等级为二级，转换层以上剪力墙底部加强部位为二级，非底部加强部位剪力墙为三级；由于工程转换层设在第4层，属于高位转换，当转换层位置设在三层及三层以上时，其框支柱、剪力墙底部加强部位的抗震等级提高一级。故该工程框支柱应定为一级，剪力墙底部加强部位定为一级。

3.2.2结构竖向布置

对该工程而言，属于高位转换，在设计中，应把握的原则归纳起来就是要强化下部，弱化上部，尽量避免出现薄弱层。可采用的方法有以下几种。

①加大底部剪力墙厚度，减小上部剪力墙厚度，转换层以下剪力墙厚度取400mm厚，上部厚度取200mm；

②底部剪力墙尽量不开洞或开小洞，以免刚度削弱太多；

③提高底部柱、墙混凝土强度等级，采用C55混凝土。

3.2.3结构平面布局

工程底部为框架-剪力墙结构，体形复杂，不规则；转换层上部为纯剪力墙结构，由于建筑布置的不对称，剪力墙的布置须经多次试算，最后结果是质量中心与刚度中心偏差不超过1m，结构偏心率较小。除核心筒外，其余剪力墙布置分散、均匀；扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比为0.70，各层最大水平位移与层间位移比值不大于1.4，均满足平面布置及控制扭转的要求。可见工程平面布局规则合理，抗扭效果良好。

3.3结构计算和分析

结构整体分析采用SATWE软件并用PMSAP软件进行复核。SATWE和PMSAP的计算结果均在现行规范及工程经验合理值范围内，说明结构总体布置比较合理。另外，还对受力比较复杂的部位如转换梁进行应力分析，并按应力进行配筋设计校核。应力分析采用高精度平面有限元软件FEQ进行，分析时应注意以下几点：

3.3.1只能分析主梁承托的框支榀；

3.3.2在截取计算榀时，最好全轴线截取，以减少整体分析时的误差；

3.3.3在截取层数时，一般取框支层以上3层；

3.3.4转换层结构的整体分析，应选用墙元、壳元模型（SATWE），这样FEQ在传递荷载时更准确；

3.3.5FEQ主要计算框支托梁配筋、剪力墙加强部位的配筋，其他部位、构件的配筋应参考整体分析的结果。经校核，该工程FEQ的框支梁底筋计算结果大部分都小于SATWE整体结算的结果，部分箍筋的有限元计算值大于SATWE计算结果。

结束语

总之，转换层结构已成为现代高层建筑结构的发展趋势之一，当前，在转换层结构设计过程中，应用最广泛的就是计算、分析和设计都比较简单的梁式转换层结构设计，通过其设计，更好的实现高层建筑的功能转换需求。

参考文献

[1]关豪.试述高层建筑转换层的结构设计[J].价值工程，2010.

[2]易东.浅谈梁式转换层结构的设计[J].中国新技术新产品，2013.

[3]冯豪.高层建筑梁式转换层结构设计分析[J].城市建设理论研究，2011.