带有梁式转换层复杂高层结构的设计方法研究

郭伟文

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摘要：高层建筑结构在设计时，会涉及到转换层设计，对于复杂的高层建筑而言，在设计结构体系时，需要考虑到梁氏转换层结构。我国的复杂高层建筑结构中的梁氏转换层结构占比较多，需要进一步加强对其的研究与应用。本文在研究带有梁氏转换层的复杂高层结构时，分别介绍了高层建筑转换层结构、梁式转换层结构的特点以及具体设计方法。

关键词：梁氏转换层；复杂高层结构；结构设计

引言

我国高层建筑形式对于建筑行业而言，需要不断的加强对高层建筑设计的研究。高层建筑结构设计是高层建筑质量提升的关键构成，尤其是对于带有梁式转换层复杂高层结构设计而言，更需要设计人员把握住带有梁式转换层复杂高层结构的特性，做好细节设计，确保结构稳固。高层建筑一般有较多的功能分区，在不同的建筑功能下，建筑结构的设计要求也存在差别。而当前我国的高层建筑结构体系中，越来越关注对梁氏转换层结构的应用，以提升复杂高层建筑结构的稳固性，满足其功能要求。

1高层建筑转换层结构

高层建筑转换层结构在近年来，应用已经较为普遍。对于高层建筑而言，结构转换层是一种结构衔接楼层，能够更好的适应建筑区间以及功能的转化。下图1展示的是典型的转换层高层建筑结构剖面图。对于复杂高层建筑而言，由于其分区较多且功能繁杂，因此要使用转换层这一非常规的结构形式。对于复杂高层建筑而言，要解决竖向传力构件不连续的问题，此时就需要转换层结构，转换层结构的存在可以实现不落地构件传来的荷载向周围落地构件的可靠传递。

图1带转换层结构剖面示意图

在高层建筑中常用的转换层结构包括以下5种，具体如下图2中的a、b、c、d、e所示，分别代表的是梁式转换层结构、箱型转换层结构、厚板转换层结构、桁架转换和空腹桁架转换层结构以及拱式转换层结构。转换层结构转换的内容主要包括上下层的结构形式、上下层柱网、上下层结构形式和结构轴线。

图2常见转换层形式

2高层建筑梁式转换层结构形式和受力特点

2.1结构形式

梁氏转换层结构转换的是结构的大梁，能够很好的在荷载的传递过程中，对其进行消解，从而下部结构受到的荷载减轻。梁氏转换层结构转换的内容包括上下层的结构形式以及上下层的柱网排列方式，使较高的力的传导过程更加简单、明确。在复杂高层建筑中使用梁氏转换层结构，常用的形式有两种，即普通钢筋混凝土梁式转换层和预应力钢筋混凝土梁式转换层。对于普通钢筋混凝土梁氏转换层而言，其作用力的发挥需要上部剪力墙的支持，在选择转换梁时，常用的是拉弯构件。同时在设定受拉翼缘时，选用的是框支梁和楼板。在复杂高层建筑中，普通钢筋混凝土梁式转换层的应用已经进入到了较为成熟的阶段，对其进行分类可分为单跨、两跨或多跨的形式。而预应力钢筋混凝土梁式转换层则需要施加预应力在大梁部位，通过合理的施加预应力可以改善转换梁的受力性能以及挠度。应用预应力钢筋混凝土梁式转换层这种结构形式能够降低转换大梁的截面高度，从而提高转换梁结构的坚固性，避免出现开裂。应用预应力钢筋混凝土梁式转换层需要考虑其预应力可能会出现的失效现象，要避免在高烈度地区应用该转换层结构形式。

2.2受力特点

根据梁式转换层的应用实践可知，能够发挥作用的梁式转换层结构为框支转换和框架转换两种。对于框支转换类型而言，这种转换层结构能够实现上部剪力墙对竖向荷载的传力路径的改变，同时能够转换抗侧刚度较大的剪力墙，使其转换为刚度较小的框支柱。在应用时，根据应用经验可知，框支转换形式常出现问题包括结构稳定性差，常见结构软弱层和薄弱层等。并不能很好的满足结构抗震设计的要求。框支转换结构中，在转换部位需要注意框支剪力墙转换层的墙体，观察其是否出现有拱效应，并测量其支座处的向应力。此时，就需要充分发挥框支梁的作用，以抵抗跨中产生的拉应力，同时发挥其对竖向荷载的均匀分布作用。在应用框架转换结构形式时，其也能够改变上部框架柱对竖向荷载的传力路径，但是在具体的结构布置过程中可以发现，该转换层结构并没有产生明显的上下框架刚度的变化。框架转换结构整体呈现出较大的梁端和跨中的弯矩、剪力和较小的柱剪力，且不会出现轴向拉力。

3带有梁式转换复杂高层结构的设计方法

3.1结构分析

在设计梁氏转换层时，要根据建筑结构特点选用合适的工程结构分析方法，根据建筑结构特点，可以对梁式转换层进行有针对性的设计，设计过程中常用的工程分析方法有反应谱法和时程分析法两种。

（1）反应谱法

利用反应谱法分析建筑结构，主要的目的在于了解建筑结构的单自由度体系的最大地震反应与结构体系自振周期的关系，反应谱法又可以细分为底部剪力反应谱法和振型分解反应谱法。通过使用反应谱法，能够更加深入的对地震作用力进行分析，并且实现对地震作用力的分解，使其均匀的作用在结构上，并转化成静力，这一过程可以看作是结构动力特征的展现过程。反应谱法能够协助结构设计人员实现更科学的抗震设计。

（2）时程分析法

时程分析法需要对地震进行模拟设计，设计过程中要用到加速度谱线，该分析法可以划分到动力分析法的范畴，时程分析法可以细分为多遇及罕遇地震作用下的弹性动力时程分析两种。应用时程分析法进行结构分析的目的在于通过运动微分方程的积分求解的方式加深对结构物的认知。这种分析方法的最大的优势是能够帮助设计人员对构件内力的时程变化关系有所掌握，在此基础上，设计人员和结构分析人员可以对构件的地震反应以及塑性铰顺序进行了解，从而能够帮助设计人员掌握结构破坏机理，找出建筑结构可能存在的抗震设计的薄弱环节。

3.2转换层设计

复杂高层建筑的梁氏转换层的设计需要首先分析结构的受力状态，常用的分析方法为有限元法。设计人员要善于利用平面有限元法完成结构的细部分析和截面设计，从而设计出科学合理的框架剪力墙结构。设计人员在进行具体的设计时，会涉及到剪力墙的单元划分，此时需要选取合适楼层的剪力墙结构，并计算结构应力。在设计转换层时，还应该充分考虑梁式转换层的性能，包括各个构件以及整体结构的性能，要做好不同的抗侧力构件的延性设计。良好的延性设计能够改善建筑结构的变形性能，使其能够具有更加灵活的地震力的消解能力。在延性设计概念的指导下，设计人员在设计较为危险的会产生塑性铰的构件的截面时，应严格遵照非线性弯曲的设计要求。在整个转换层设计过程中，都要注意提高和保障构件或截面强度，要尽量避免出现结构的剪切破坏。

3.3结构整体弹塑性分析

在梁氏转换层设计过程中，需要做好结构整体弹塑性分析，进行结构弹塑性分析的目的在于优化当地震出现时，抗震结构的弹塑性，并使其进入到良好的弹塑性状态，确保建筑结构整体抗震性能良好。

（1）弹塑性动力分析

应用弹塑性动力分析法的主要目的在于更完整和精细化的描述结构刚度，在描述过程中，需要借助恢复特征曲线，以得出详细的描述结果。在结构分析中应用弹塑性动力分析法，需要选用计算模型、结构骨架曲线和地震波，以确保得出的结果合理。

（2）弹塑性静力分析

我们可以将常用的静力弹塑性分析法同时被称为静力推覆法，在复杂高层建筑抗震设计中较为常用。弹塑性静力分析法的目的是了解结构及构件的内力变化与变形过程。在具体应用时，主要应用在结构产生侧移的过程中，此时需要估计出结构和构件的非线性变形。通过对结构进行弹塑性静力分析，结构设计人员可以基本判断出结构和构件的破坏状态，且得到的分析结构较为准确和稳定。整个弹塑性静力分析过程计算过程简单、应用便利，但是在使用时，还是要注意施加水平力在结构上，以确保能够最终达到结构的预定塑性状态，从而可以进一步分析结构的性能。

结语

深入的探讨梁氏转换层结构的设计方法，能够更好的发挥梁氏转换层结构的优势，并且能够起到优化复杂高层建筑结构抗震性及相关性能的作用。对复杂高层建筑的梁氏转换层结构进行设计，需要把握住建筑结构的设计要求，采用科学的结构分析法，综合的进行转换层设计，确保设计出的高层建筑结构形式稳定性能良好。

参考文献：

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