高层建筑梁式转换层结构设计探讨

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摘要：梁式转换层结构是目前高层建筑中使用最多的转换层结构形式，文章结合工程实例，探讨了梁式转换层结构的设计要点．以及构件设计。

关键词：高层建筑；梁式转换层；框支柱设计

中图分类号： TU318 文献标识码： A 文章编号：

1前言

目前，随着高层建筑的迅速发展，建筑功能的要求也日益复杂化，建筑结构常常需要采用结构转换层来完成上、下层建筑物结构的转换。一般结构层相比，转换层结构具有结构重量大、结构层刚度大、几何尺寸超大、受力复杂等特点。这意味着转换结构组成了建筑物的主要构件，它们的设计是否合理、安全、经济对整个结构的安全性、结构造价、施工费用等有着重要的影响。

2 转换层的定义和类型

因建筑物功能的需要，上部需要小开间的轴线布置，需要较多的墙体；下部则希望有尽可能大的空间，柱网要大，墙体要尽量少。因而，上部部分竖向杆件不能直接连续贯通落地。而通过水平转换结构与下部竖向杆件连接，这样构成的高层建筑称为带转换层的高层建筑结构。

2．1上、下层结构类型的改变

该结构形式是目前高层建筑中实现垂直转换最常用的结构形式，由于其传力途径采用墙(柱)转换梁柱(墙)的形式，具有传力直接、明确和清楚的优点，便于工程计算、分析和设置转换层将上部剪力墙转换为下部的框架。这种转换层多用于剪力墙和框架一剪力墙结构中，以获得较大的内部自由空间。

2．2上、下层结构柱网和轴线的改变

转换层上、下的结构形式未改变，通过转换层能使下部结构的柱距扩大，形成大柱网。这种形式常用于外框筒的下层以形成较大的出入口。

2．3 同时改变上、下层结构类型和柱网

上部剪力墙结构通过转换层改变为框支剪力墙结构的同时，下部柱网与上部剪力墙的轴线错开，形成上、下柱网不对齐的布置。

3 转换层的结构设计方法

高层建筑转换结构一般可分为4种基本结构形式，即：梁式转换结构(包括托梁和双向梁格)、桁架转换结构(包括空腹桁架)、箱型转换结构、厚板转换结构。

3．1梁式转换结构

梁式转换计，且造价较节省。所以梁式转换层结构在实际工程中应用较广。实际工程中转换梁的结构形式有多种多样，从一转换梁功能上，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、钢骨混凝土和钢结构等。转换梁主要承受竖向荷载，受力特征主要表现为在竖向荷载作用下的受力规律为研究上部墙体对转换梁受力特征的影响，采用有限元分析程序对不同结构形式转换梁的受力特征进行分析。根据一些工程实例的计算结果分析可见，计算模型的选取与转换梁的跨度有关。当转换梁的跨度较大时，上部墙体的层数考虑取多些当转换梁的跨度较小时，上部墙体的层数可适当取少些。实际工程中转换梁的常用跨度为6-12m而高层建筑结构标准层常用层高为2．8～3．2m。在此跨度和层高范围内，对上部托墙形式的梁式转换层，转换梁内力有限元分析取其上部墙体3～4层，视这部分墙体连同转换梁组成的倒T型深梁与下部一层结构进行内力分析，计算精度满足设计要求。

3．1．1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。

3．1．2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，且计算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，应全部伸人支座。当转换梁承托上部墙体满跨且开较多门窗洞或不满跨但剪力墙的长度较大时，转换梁截面设计方法也宜采用深梁截面设计方法或应力截面设计方法，纵向钢筋的布置则沿梁下部适当分布配置，且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。转换梁的结构形式有很多种，目前高层建筑转换层结构的实际工程应用也很多。一般而言，高层建筑转换层结构的分析必须按施工模拟，使用各阶段及施工实际支撑情况分别进行计算，以反映结构内力和变形的真实情况。施工过程中的力学问题应引起设计人员和施工人员的高度重视。

3．2桁架转换结构

桁架式转换结构是由梁式结构转换层变化而来的整个转换层由多榀钢筋混凝土桁架组成承重结构，桁架的上下弦杆分别设在转换层的上下楼面的结构层内，层间设有腹杆。由于桁架高度较高所以下弦杆的截面尺寸相对较小。桁架分为空腹桁架和实腹桁架2种，它可以是钢桁架，也可以是钢筋混凝土桁架，在钢筋混凝土高层结构中常用钢筋混凝土桁架。与梁式转换层相比，它的整体性好，受力性更加明确，自重较小而抗震性能好，而且便于管道的安装与维护等，但在施工上比较复杂，在设计上表现为节点的设计难度较大。“强斜腹杆，强节点”桁架转换层的基本设计原则，而节点的受力复杂，容易发生剪切破坏，造成配筋过多。桁架转换式通常要求高度在3m以上，否则斜压杆件易形成超短柱，地震作用下容易产生脆性破坏。

桁架式转换结构可以采用ANSYS和TAT来进行整体结构的内力分析，除应满足结构整体的位移、变形、抗倾覆、周期等要求外，还应满足(JGJ3—2002)《高层建筑混凝土结构技术规程》中附录E中规定的转换层上下结构侧向刚度比的要求。相对其他结构形式转换层而言，桁架转换层比梁式转换层和厚转换层在受力上更加合理，在转换层位置受到的剪力和弯矩就比较小，有利于构件截面尺寸的控制，不会造成很大的刚度集中在地震作用下，不会造成应力的集中，有利于结构抗震。其次在桁架转换层上部的结构所受到的剪力和弯矩相对其他的转换层结构来说也较小，其受力受下部转换层的影响较小，比较合理。由于桁架转换层的重量相对其他转换层的重量要小，从而减小了下部框架柱的抗压负荷。

3.3 箱型转换结构

该结构形式即单向托梁、双向托梁连同上下层较厚的楼板共同工作，可以形成刚度很大的箱形转换层。它的优点是转换层本身的整体性很好，当转换层上部结构布置较复杂时，仍能够保证上下竖向构件的有效传力。但从建筑上来看，它直接占用了整个楼层的使用面积，使得该楼层通常只能作为设备层使用。同时，转换层内部的剪力墙与设备布置、管线布置常常发生冲突。其缺点是自重大、造价高等。从结构分析角度考虑，其内力分析复杂、结构设计及施工难度都较大，因此在实际工程中应用较少。

3．4厚板转换结构

该结构形式用于当上、下柱网轴线错开较多难以用梁直接承托时，则需要做成厚板，形成板式承台式转换层。板式转换层的下层柱网可以灵活布置、无须与下层结构对齐。但有如下缺点：自重很大，材料耗用较多。厚板式转换层的刚度很大，可以视为刚性转换层。板式转换层一方面给上部结构的布置带来方便，另一方面也使板的传力变得不清楚，因而受力也非常模糊，结构计算相对困难，采用有限元计算时计算结果繁杂，给配筋设计带来不便。另外从受力角度考虑，往往需要在柱与柱、柱与墙之间配筋加强，相当于设置暗梁，增加配筋量。从抗剪和抗冲切的角度考虑，转换板的厚度往往很大，这样的厚板一方面自重很大，增加了对下部垂直构件的承载力的设计要求；另一方面，本层的混凝土用量也很大，不经济。厚板集中了很大的刚度和质量，在地震作用下，地震反应强烈，不仅板本身受力很大，而且由于沿竖向刚度突然变化，相邻上下层受到很大的作用力，容易发生震害。以往的模型震动台试验研究表明，厚板的上下相邻层结构出现明显的裂缝和混凝土剥落。另外，试验还表明，在竖向荷载和地震力共同作用下，板不仅发生冲切破坏，还可能产生剪切破坏板内必须三向配筋。

4 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，以得到最为合理的设计。