谈高层建筑梁式转换层结构设计
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【摘要】高层建筑梁式转换层结构在现代建筑业中得到了广泛的应用，本文对其结构形式与受力特点等进行了分析，提出了梁式转换层结构设计要点与方式，并对其进行了计算分析。
【关键词】高层建筑梁式转换层结构设计
中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号：
转换层结构已成为现代高层建筑结构的发展趋势之一。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写字间，再到大空间的商场的变化成为可能。梁式转换层结构作为高层建筑中实现垂直转换的常用结构形式。
一、梁式转换层的主要结构形式及受力特点
1、梁式转换层的主要结构形式
实际工程应用中转换梁的结构形式有多种多样，从跨数上，可分为单跨、双跨及多跨；从上部墙体形式上，可分为满跨和不满跨、开洞和不开洞及开门洞和开窗洞；从转换梁功能上，可分为托墙和托柱；从转换梁形式上，可分为加腋和不加腋；从转换梁结构采用材料上，又可分为钢筋混凝土、预应力混凝土和钢骨混凝土、钢结构等。
2、梁式转换层的受力特点
梁式转换层结构传力途径采用墙(柱)——转换梁——柱(墙)的形式，具有传力直接、明确和传力途径清楚的优点，便于工程计算、分析和设计，且造价较节省。转换梁具有受力性能好、工作可靠、构造简单和施工方便的优点，结构计算也相对容易。
国内外的研究表明，作为梁式转换层的主要受力构件—转换大梁，其受力形式与受力大小受上部结构形式、转换梁上下层相对刚度、转换梁的位置等因素的影响。在这些因素影响下，带有转换层的结构在水平荷载下将表现出不同的受力性能。分析表明，无论转换梁上部墙体的形式如何，只要墙体存在一定长度，转换梁中的弯矩就会较不考虑上部墙体作用的要小，相应墙体下的转换梁就有一段范围内出现受拉区。转换梁的最终受力状态由墙、转换梁作为一个整体共同弯曲变形和拱的传力作用综合影响。
墙、转换梁作为一个整体共同弯曲变形，转换梁处于这整体弯曲的受拉翼缘，若单独分析转换梁，其所受的弯矩由于剪力墙的共同工作而大大降低，同时，由于处于受拉翼缘，应力积分后转换梁中就会出现轴向拉力。由于竖向传力拱作用的存在，使上部墙体上的竖向荷载传到转换梁时，很大一部分荷载以斜向荷载的形式作用于梁上(见图1b)，若将这斜向荷载分解为垂直和水平等效荷载形式(见图1c、d)，则垂直荷载作用下的弯矩肯定要比不考虑墙体作用时要小(见图1a)，在水平荷载作用下，就形成了转换梁跨中一定区域受轴向拉力，而支座区域受轴向压力的现象。
图1 转换梁受力机理
二、梁式转换层结构的设计与构造
由框支主梁承托转换次梁及次梁上的剪刀墙，其传力途径多次转换,受力复杂。框支主梁除承受其上部剪力墙的作用外，还需要承受梁传给的剪力，扭矩和弯矩，框支主梁易受剪破坏。对于有抗震设防要求的建筑，为了改善结构的受力性能，提高其抗震能力，在进行结构平面布置时，可以将一部分剪力墙落地,并贯通至基础，做成落地剪力墙与框支墙与剪力墙协同工作的受力体系。
1、转换梁的设计与构造要求
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。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。上、下弦杆箍筋计算时宜将剪力设计值乘放大系数1.2。当洞口内力较大时，可采用型钢构件来加强。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%，转换梁中主筋不宜有接头，转换梁上部主筋至少应有50%沿梁全长贯通,下部主筋应全部贯通伸入柱内。
2、框支柱的设计与构造要求
框支柱截面尺寸一般系由其轴压比计算确定。地震作用下框支柱内力需调整:抗震设计时，框支柱的柱顶弯矩应乘以放大系数，并按放大后的弯矩设计值进行配筋；剪力调整：框支柱承受的地震剪力标准值应按下列规定采用：框支柱的数目不多于10根时，当框支层为1～2层时，每层第根柱承受的剪力应至少取基底剪力的2%；当框支层为3层及3层以上时，各层每根柱所受的剪力应至少取基底剪力的3%；框支柱的数目多于10根时,当框支层为1～2层时，每层每根柱承受的剪力之和应取基底剪力的20%；当框支层为3层及3层以上时，每层框支柱承受剪力之和应取基底剪力的30%；框支柱剪力调整后，应相应调整框支柱的弯矩及柱端梁的剪力、弯矩，框支柱轴力可不调整。框支柱全部纵向钢筋配筋率，抗震等级一级时不小于1.2%，二级时不小于1.0%，三级时不小于0.9%、四级及非抗震设计时不小于0.8%。纵向钢筋间距抗震设计时不大于200mm，且不小于80mm，全部纵向钢筋配筋率不宜大于4%。
3、转换梁的截面设计方法
应力截面设计方法。对转换梁进行有限元分析得到的结果是应力及其分布规律，为能直接应用转换梁有限元法分析后的应力大小及其分布规律进行截面的配筋计算，假定不考虑混凝土的抗拉作用，所有拉力由钢筋承担钢筋达到其屈服强度设计值。受压区混凝土的强度达到轴心抗压强度设计值。
4、转换梁截面设计方法的选择
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。当转换梁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。
5、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，且计算出的纵向钢筋应沿全梁高适当分布配置。由于此时转换梁跨中较大范围内的内力比较大，故底部纵向钢筋不宜截断和弯起，应全部伸入支座。当转换梁承托上部墙体为小墙肢时，转换梁基本上可按普通梁的截面设计方法进行配筋计算，纵向钢筋可按普通梁集中布置在转换梁的底部。
三、对高层建筑梁式转换层结构设计的计算分析
1、工程概况
某建筑项目属商住综合楼。一至四层为商业用房，五至三十一层为住宅，采用转换层设在第五层的部分框支剪力墙结构，为梁式转换结构形式。建筑结构的安全等级为二级，结构设计使用年限为50年，结构设计基准期50年，抗震设防烈度为6度，设计地震分组第一组，基本地震加速度为0.05g，建筑场地类别为Ⅱ类，抗震设防类别为丙类。基本风压为0.40KN/㎡，基本雪压为0.45KN/㎡，地面粗糙度类别为B类。图2为转换层结构平面图，图3为转换层以上相邻层结构平面图。
图2 转换层结构平面图
图3 转换层以上相邻层结构平面图
2、计算分析
运用PKPM系列的SATWE与PMSAP两种不同程序对该工程进行中震不屈服验算，两程程序的分析结果基本接近。其中STAWE程序对框支柱纵筋、箍筋的分析结果见表1、表2。
表1 框支柱纵向钢筋变化表（采用HRB400级别钢筋）
备注：KZZ1为圆柱AS为总纵筋量；KZZ2～KZZ4为矩形柱，ASB、ASH 各为单边B、H的纵筋量。ASB=4300mm2
表2 框支柱箍筋钢筋变化表（采用HPB235级别钢筋）
备注：箍筋Asv为箍筋加密区面积。
由表1、表2分析可知，相对于小震弹性设计，采用中震不屈服设计，框支柱纵筋增加约为10%，箍筋增加约为30-50%。
同时分析发现，转换层以下的落地剪力墙约束边缘构件纵筋有一定程度增加，约为8%；框支层以上二层剪力墙约束边缘构件纵筋稍有增加，约为5%。
依据性能目标3的要求，应加强该工程的框支柱的纵筋和箍筋、转换层以下落地剪力墙的约束边缘构件的纵筋、框支层以上二层剪力墙约束边缘构件的纵筋，尤其是框支柱箍筋需特别加强。
分析结果符合构件设计的原则：“强柱弱梁更强节点、强剪弱弯强底层柱。”体现了抗震概念设计，有效地提高了该工程结构的承载力和延性。
结束语
随着人们对高层建筑的功能要求趋向于多样化、综合化和全面化。梁式转换层结构以其传力直接、明确和清楚的优点，在目前高层建筑中被广泛使用。设计人员要注重概念设计，并在设计过程中通过查阅数据，反复比较调整，计算分析，以得到最为合理的设计。
参考文献
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[3] 朱亮,周伟.探讨高层建筑梁式转换层结构设计[J].四川建材.2009(01)