高层建筑梁式转换层结构设计探讨

吴英

深圳市华阳国际工程设计股份有限公司广州分公司

摘要：在高层建筑结构的底部，当上部楼层部分竖向构件（剪力墙、框架柱）不能直接连续贯通落地时，应设置转换层。梁式转换具有传力路径清晰快捷，工作可靠，构造简单，施工方便等优点，是目前国内应用最广的转换层结构型式。

关键词：高层建筑；梁式转换层；结构设计

引言：建筑物某层的上部与下部因平面使用功能不同，该楼层上部与下部采用不同结构类型，并通过该楼层进行结构转换，则该楼层称为结构转换层。现代高层建筑向多功能和综合用途发展，在同一竖直线上，顶部楼层布置住宅、旅馆，中部楼层作办公用房，下部楼层作商店、餐馆和文化娱乐设施。不同用途的楼层，需要大小不同的开间，采用不同的结构形式。

目前，国内用得最多的是梁式转换层，它设计和施工简单，受力明确，一般用于底部大空间剪力墙结构。

一、高层建筑的梁式转换层的设计特点

一般来说，高层建筑由于自身结构的特点，下部承受的压力随着高度的增加逐渐变大，因此在高层建筑结构的设计中需要考虑下部结构的承受力比上部结构大。然而，在实际的高层建筑设计中需要考虑反常规设计方法，理由是建筑使用功能对空间要求却是下部大空间，往上部逐渐减小。

梁式转换层结构的传力途径为墙—梁—柱(墙)的形式，具有传力明确、清晰、直接的特点。转换大梁作为梁式转换层的主要受力构件，其受力大小与受力形式受上部剪力墙刚度、转换梁的位置以及下部支撑结构与转换大梁的相对刚度等因素的影响。

二、高层建筑梁式转换层的结构设计原则

高层建筑中转换层的设置造成建筑物竖向刚度的突变，地震作用时在转换层上下容易形成薄弱环节，对结构抗震不利，故转换层结构在设计时应遵循以下原则：

1、减少需要转换的竖向构件

a）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[1]。

b)必须控制框支剪力墙与落地剪力墙的比例，当剪力墙较多道且考虑抗震时，横向落地剪力墙数目与横向墙总数之比不宜少于50%，非抗震时不宜少于30%。

2、转换结构布置

a）转换层以上的剪力墙和柱子应尽量对称布置，梁上立柱应尽量设在转换梁跨中，以免转换梁变形时，在梁上立柱的柱脚处产生较大转角，带动立柱柱脚产生较大变形，引起柱的弯曲及剪切，使立柱产生很大的内力而超筋[2]。

b)转换层结构在高层建筑竖向的位置宜低不宜高。转换层位置较高时，易使框支剪力墙结构在转换层附近的刚度、内力和传力途径发生突变，并易形成薄弱层，对抗震设计不利，其抗震设计概念与底层框支剪力墙结构有较大差异[3]。文献[1]中规定，对部分剪力墙结构，转换层设置高度在8度时不宜超过3层，7度时不宜超过5层，6度时可适当提高。

c)当转换层位于3层以上时，易使框支剪力墙的层间位移角在转换层附近发生突变。当必须采用高位转换时，应控制转换层下部框支结构的等效刚度，即考虑弯曲、剪切和轴向变形的综合刚度，这对于减少转换层附近的层间位移角及内力突变是十分必要的，效果也很显著[3]。另外，对落地剪力墙间距的限制应比底层框支剪力墙结构更严一些。对平面为长矩形的建筑，落地剪力墙的数目应多于全部横向剪力墙数目的一半[4]。

3、转换结构的刚度

a)设计中应保证转换层有足够的刚度，一般应使梁高度不小于跨度的1/6，才能保证内力在转换层及其下部构件中分配合理，转换梁、剪力墙柱有良好的受力性能，能较好的起到结构转换作用[5]。

b)为保证下部大空间整体结构有适宜的刚度、强度、延性和抗震能力，应尽量强化转换层下部主体结构刚度，弱化转换层上部主体结构刚度，使转换层上下部主体结构的刚度及变形特征尽量接近。

c)转换层上部结构与下部结构的侧向刚度变化应符合[1]规程的附录E的规定。

三、高层梁式转换层的结构设计

1、框支柱的设计

为了保证结构具有足够的延性,框支柱的轴压比要严格控制,这使得框支柱比一般的框架柱有更大的延性和抗倒塌性能。

一级抗震时,框支柱的轴压比控制在0.6以下；二级抗震时，应该控制在0.7以下。箍筋沿柱全高加密并采用复合箍筋,且不少于D10@100。框支柱应有部分纵筋伸至框支梁以上的墙体内,延伸长度等于层高以加强上下层的可靠连接[6]。

2、框支梁的设计分析

因为框支梁的受力很大且受力情况复杂,它不但是上下层荷载的传输枢纽,而且是保证框支剪力墙抗震性能的关键部位，是一个复杂的受力构件，故设计时应设有较多冗余储备。宜在结构整体计算后，按有限元方法进行详细分析，分析和试验结构表明，在竖向荷载和水平荷载作用下，框支梁大多数情况下为偏心受拉构件，并承受很大的剪力，因此文献[1]规定了对框支梁截面高度的设计要求及框支梁截面组合的最大剪力设计值的限制条件。

在竖向荷载作用下,梁端往往首先破坏,所以必须加强构造措施,伸入支座的钢筋在柱内应有可靠的锚固;负钢筋伸入梁下皮以下要大于45ｄ[6]。

框支梁不宜开洞，开洞时应做局部应力分析，要求开洞部位远离框支柱边，开洞部位要加强配筋构造。

3、转换层楼板的设计分析

由于结构上部的水平剪力要通过转换层传到下部结构,转换层楼面在其平面内受力很大,楼板变形显著,因此要适当加厚转换层楼面,建议采用厚度不小于180ｍｍ的现浇板,这样有利于转换层在其平面内进行剪力重分配,并加强转换大梁的侧向刚度和抗扭能力,也可使实际情况更符合结构整体计算中楼层刚度无限大的基本假定。而且混凝土强度>Ｃ30,并采用双向双排钢筋网,每排钢筋的配筋率>0.25%,必要时,转换层混凝土加1%的钢纤维则抗力效果更佳;它不仅可以使同一等级的混凝土抗剪强度提高45%,而且可以有效的提高混凝土的抗裂性能[6]。转换层楼板不宜有大的开洞，当开洞时应在洞口四周设置次梁、暗梁，楼板开洞位置尽可能远离外侧边，与转换层相近的楼板也应加强。若必须在大空间部分设置楼、电梯间时,应用钢筋砼墙围成筒体。

四、设计实例

本工程为广西柳州市东堤路，锦园C区15#楼及地下室，15号楼屋面高度98.80m；四层裙房为商铺，一层（大堂和商铺）层高为5.55m，二~四层（商铺）层高均为4.95m，五层为设备层和结构转换层，层高3.15m，六层~三十一层为住宅标准层层高为2.9m；地面以下设二层核六级人防地下室，平时为车库；B1层层高为4.40m，B2层层高为3.65m。

根据现行地震区划及《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）：本场区地震抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，地震设计分组为第一组，场地土类别为Ⅱ类，特征周期值为0.35s，属抗震一般地段。

1、转换层上下楼层的结构布置见下图：

3、构造措施

本工程高度未超出A级高层建筑适用高度，存在扭转不规则、凹凸不规则、构件间断和尺寸突变等4项不规则类型，属于体型一般不规则结构。针对上述超限情况及设计中的关键技术问题，在设计中采取了如下主要措施：

（1）剪力墙是作为主要抗侧力构件，因此必须采取措施提高剪力墙的延性和稳定性，使抗侧刚度和整体结构延性更好的匹配。本工程中底部加强区框支剪力墙及框支柱周边剪力墙是关键构件，针对该部分剪力墙的具体措施有：

（a）底部加强区剪力墙抗震等级提高到一级，按中震抗剪弹性、抗弯不屈服、大震不屈服的性能目标进行设计；

（b）底部加强区剪力墙墙身水平分布筋和竖向分布筋最小配筋率提高到0.35%；

（c）针对剪力墙底部局部受拉区域，加大竖向钢筋以抵抗拉力。

（2）针对局部转换部位：

（a）提高框支柱的抗震等级为一级，框支梁抗震等级为二级，框支柱、框支梁按中震抗剪弹性、抗弯不屈服、大震不屈服的性能目标进行设计；

（b）转换层楼板厚度提高到180mm，并双层双向加强配筋，单层最小配筋率不小于0.25%，转换层上层楼板加厚到150mm，双层双向加强配筋。

结束语：

通过实例分析并结合设计原则，可以得到以下几点：

(1)设计梁式转换层的框支剪力墙结构时，一方面，应该掌握相关理论，运用概念设计的方法，这是设计工作中解决原则问题的良好方法，在掌握概念设计的前提下，再用计算去验证概念设计，使设计质量进一步提高。另一方面，合理的结构平面和竖向布置可以从整体上形成良好的抗震体系，保证建筑物的安全性和经济性。

(2)在进行结构分析时，要概念明确，思路清晰，利用适合梁式转换层结构分析的空间或平面有限元程序进行计算，工作量并不会很大，而且对某些结果再进行调整也可使其更为理想。

(3)对于有二次转换梁的转换层，转换次梁的设置不但减小了转换主梁的剪跨比，而且因荷载经多次转换传递，导致转换主梁在剪跨比较小区段较早出现剪切破坏，次梁正交部位截面应变分布复杂，梁端易出现裂缝，且转换主梁在水平荷载作用下易产生较大扭矩，因此应尽量避免二次转换，有主次梁的转换层结构还有待进一步深入研究。

总之，在带有梁式转换层的高层建筑设计中，转换层设计是结构设计的一个难点,更是不同形式结构体系转换的关键点,设计时应不断研究和进行方案比较,在可能的情况下做出较优的技术方案才能实现安全、适用、经济等综合目标。

参考文献：

[1]高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3―2010.

[2]董晓明，张炼光.梁式转换层设计的一些探讨[J].广东土木与建筑，2001，（2）：19－21

[3]谢益人.转换层位置及形式对复杂高层结构地震反应的影响[D].重庆：重庆大学硕士学位论文，2003，11

[4]徐培福，王翠坤，郝锐坤等.转换层设置高度对框支剪力墙结构抗震性能的影响[J].建筑结构，2000，30（1）：38－42

[5]罗柳毅.梁式转换层在高层建筑中的应用[J].广东土木与建筑，2000（2）：33－35

[6]高雪峰.转换层结构设计的改进建议[J].建筑技术开发，2002，29（3）：6－7