浅谈高层建筑混凝土梁式转换层结构设计

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摘要：本文作者结合工程实例，对高层建筑混凝土梁式转换层结构设计进行了探讨。

关键词：混凝土;结构设计;梁式转换层

1前言

在高层建筑设计中，为满足建筑使用功能需要，底部数层常设置为大空间，而上部标准层多为小开间，致使上层的部分竖向承重结构不能直接落地，需要设置结构转换。常用的转换形式为梁式。梁式转换层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。实际工程中，转换层常兼作设备层，转换梁腹部要开设洞口以便设备管道的通过，因此转换梁的计算模型可根据开洞与否以及洞口的相对大小分别取为实腹梁、开孔梁、双梁和空腹桁架等。

2 工程概况

某大厦建筑高度为48m，地上部分共15层，地下室层高4.5m，一、二层为商业用房，层高4.5m，三至十三层为住宅；层高为3m。此工程为商住合一的高层建筑，由于不同的用途需要不同的空间组合形式，因此除了主体中间部分(电梯间、楼梯间等公共部分) 布置成落地剪力墙核心筒，其他部分均不能采用一种结构体系。必须在二层顶采用结构转换的方法过渡为另一种结构形式。转换层上下楼层的结构布置见图1、图2。

3梁式转换层特点

梁式转换层中的转换大梁一般很大，可以达到一两个楼层高，甚至更高。带有转换层的建筑结构及转换层大梁一般有如下特点:

⑴在荷载作用下，大梁与支承柱连结处应力高度集中，容易引起震害，在抗震方面常要进行专门的构造处理；

⑵转换层大梁要承受上部若干层传下的巨大荷载，或悬挂下部多层重力，使得大梁的内力很大，因此，竖向荷载成了控制大梁设计的主要因素之一；

⑶为了保证转换层有足够的强度和刚度，致使转换层不可避免地高而大，梁的截面尺寸大，多少会影响该层的使用空间，自重大，耗费材料多，造价昂贵；

⑷连续施工的劳动强度大，而且施工复杂，因此，无论从建筑设计，还是从结构和施工的角度来看，对高层建筑中的转换层研究是十分必要的。

4结构设计

4.1 结构选型

结构转换层的类型很多，对于此工程来说，如果采用厚板转换存在以下问题:转换厚板的混凝土及钢材用量都很大，增加投资成本，并且施工难度大；受力情况复杂，计算过程繁琐。如果选用箱形转换，优点是结构整体性好，不管上部结构布置多么复杂，仍能保证上、下竖向构件的有效传力。但是从结构设计角度考虑，内力分析较为复杂，转换层设计的技术储备不足，难度相对较大，且施工难度也大。梁式转换层优点主要表现为设计和施工简单，转换构件受力明确，经济合理性强。内部空间自由畅通，满足管线布置要求，在转换梁结构受力较小的部位可以开洞口，容易满足建筑对功能的要求。

4.2 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:

⑴为防止沿竖向刚度变化过于悬殊形成薄弱层，设计中应考虑使上、下层刚度比γ≤2 ，尽量接近1。这样才能保证结构竖向刚度的变化不至于太大，使上柱有良好的抗侧力性能，减少竖向刚度变化，有利于结构整体受力。上下层刚度比计算式如式1 所示。

γ=（Gi+1Ai+1hi）/（GiAihi+1） (式1)式中:

Gi、Gi+1――第i、i+1 层混凝土剪变模量

Ai、Ai+1――第i、i+1 层折算抗剪截面面积(A=AW+0.12AC)；

AW――在所计算的方向上剪力墙的全部有效截面面积；

Ac――全部柱的截面面积；

hi、hi+1――第i、i+1 层的层高。

⑵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。

⑶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，能较好地起到结构转换作用。

4.3 转换层结构布置

由于上部住宅空间划分很多，所以在转换层需要设置为二次转换，即设置转换主梁和次梁；同时设置部分短肢剪力墙以满足建筑功能要求，转换层结构布置平面如图3 所示。

4.4 构造措施

首先对整体结构进行概念设计，采用必要的结构构造措施是保证抗震设防要求的重要手段。本工程采用了以下一些构造措施：

⑴加强底部框支层的刚度和延性。根据转换层结构设计原则，转换层上下结构侧向刚度比值在抗震设计时不应大于2。为了减小上下层刚度比，底部两层核心筒及剪力墙厚度为300mm，3 层以上为200mm；混凝土等级C40，3 层以上C35～C25。由于核心筒位置较偏，北向刚度较大，因此在底部南边位置适当部位增设了短肢剪力墙，使刚心和质心尽量重合，也提高了底部刚度，使其满足刚度比限值。

⑵加强转换层楼板的刚度及延性，确保水平荷载的可靠传递，楼板厚度取为180mm，双层双向配筋，每层每方向的配筋率为0.25%，加强了整体性。

⑶短肢剪力墙尽量布置在框支柱上，避免在框支柱间设置剪力墙，墙肢可以长一些，这样大幅度降低了转换大梁的弯矩，同时也降低梁高和配筋。选用形式上尽量采用L型、T型，避免使用一字型。

⑷为加强转换层的整体协调能力，在转换层楼面上周边及内部非门洞口的地方做一些矮墙，墙高伸至窗台底面。作为一种安全储备，在计算中未考虑该段墙。

4.5 结构计算

对于高层结构的分析，合理选择计算软件非常重要，它直接影响结果的精度和可靠度。本工程选用以墙元模型模拟剪力墙的SATWE 空间有限元软件。根据经验初步选定转换梁截面，用SATWE 进行结构整体计算，得到转换梁所受设计剪力后，按照该值不大于0.15fcbh/0.85 校核截面尺寸。对转换梁不仅有强度要求，也有刚度要求。本工程转换层的层高为4.45m，转换梁的最大跨度为6.5m，大梁截面尺寸为450mm×1400mm，400mm×1400mm，450mm×1100mm。梁宽度不小于上部墙体厚度(200mm)，梁高度大于梁跨度的1/6，均满足要求。根据轴压比确定框支柱主要截面尺寸:700mm×900mm，900mm×900mm，850mm×850mm。对于复杂高层建筑，需要考虑扭转耦联，计算中还要考虑模拟施工加载，计算发现梁一次加载在结构的大部分位置配筋均多于分层加载配筋。采用SATWE 整体分析求出结构顶点位移、层间相对位移、落地剪力墙所分担的地震剪力。由于设置次梁转换，使结构处于复杂的空间受力状态，现有程序不能正确反映其受力，因此在整体分析的基础上，取其内力进行人工配筋校核。根据上部结构传递给转换层的荷载，用FEQ 对转换层本身及其上下几层进行平面有限元分析，对于转换梁、框支柱在整体计算的基础上，采用平面有限元框支剪力墙计算软件FEQ 进行局部有限元精确分析，并按应力校核配筋。对于短肢剪力墙的分析计算，可以参考相关文献，另外对于一些结构构件采取以下构造措施:

⑴框支梁的支座处及上部墙体开门洞附近剪力均较大，箍筋应加密配置；当洞口靠近梁端时，也可采用梁端加腋提高其抗剪承载力，并加密配箍。

⑵对于二次转换梁，集中荷载引起应力更加复杂，在相应梁端处增设加腋，作为抗剪的安全储备。如19轴线梁在C 轴两侧各有一个二次转换梁，采用巨型加腋。

⑶框支层上剪力墙洞口上部的连梁，设计上要保证强剪弱弯，在连梁内充分配筋，配置交叉斜筋，保证梁内塑性绞的出现。

5 结束语

通过实例分析并结合设计原则，可以得到以下几点：

⑴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。

⑵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。

⑶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]唐兴荣.高层建筑转换层结构设计与施工[M].北京:中国建筑工业出版社，2002.

[2]谢晓锋.高层建筑转换层结构型式的应用现状及问题[J].广东土木与建筑，2004，

[3]熊进刚，吴晓莉，陈礼建，等.有梁式转换层的高层建筑结构设计与研究[J].工业建筑，2001

[4]JGJ3-2202，高层建筑混凝土结构技术规程[S].

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