高层建筑梁式转换层设计探讨

苏伟成

（广州市鲁班建筑有限公司，广东 广州 510000）

目前为了满足人们越来越高的建筑需求，使得转换层结构得到了广泛应用，其中最为普遍的当属梁式转换结构，由于在转换结构中存在竖向受力转换，所以结构的受力相对复杂，尤其是在施工阶段的影响方面，很多计算中都未考虑施工过程或考虑得较为简单，从而造成设计未能反应施工的真实情况。

1 梁式转换层结构形式

高层建筑结构下部受力比上部大，按常理来说，在高层建筑结构的设计中要考虑下部结构的刚度要大于上部结构的刚度，采取的措施就是下部增加墙体、增加柱网，而上部逐渐减少墙柱的密度。显然，这在高层建筑设计中是不现实的，因为高层建筑的使用功能对空间要求却是下部大空间，往上部逐渐减小，因此对高层建筑结构的设计就要考虑反常规设计方法。在《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3－2002）中，规范对转换梁的最小高度和宽度作了如下规定：框支梁截面宽度不宜大于框支柱相应方向的截面宽度，不宜小于其上墙体截面厚度的2倍，且不易小于400 mm；当梁上托柱时，尚不应小于梁宽方向的柱截面宽度。梁截面高度，抗震设计时不应小于计算跨度的1/6，非抗震设计时不应小于计算跨度的1/8。从该设计规程中可知，采取这些限制的措施主要是为了保证转换梁结构的整体刚度，增强结构的可靠性。

1.1 梁式转换层结构形式

实际工程中应用的梁式转换层结构有多种形式，主要原理就是利用下部的转换大梁来支托上部结构。

1.2 梁式转换结构受力机理分析

梁式转换层结构的传力途径为墙—梁—柱（墙）的形式，传力直接，便于分析计算。转换大梁的受力主要受上部剪力墙刚度、剪力墙与转换大梁的相对刚度和转换大梁与下部支撑结构的相对刚度影响。为了弄清转换梁结构与上部墙体共同工作的性能，对转换梁承托层数对其内力的影响采用有限元程序进行分析，从分析结果中我们知道，对一般结构转换大梁，上部墙体考虑3层与考虑4层、5层内力的设计控制，内力差异不大于5%，故在分析计算时可考虑计算3层。

2 梁式转换层的结构设计

2.1 结构竖向布置

高层建筑的侧向刚度宜下大上小，且应避免刚度突变。然而带转换层的高层建筑结构显然有悖于此，因此文献对转换层结构的侧向刚度作了专门规定。对该工程而言，属于“高位转换”。转换层上下等效侧向刚度比宜接近于 1，不应大于 1.3。在设计过程中，应把握原则，就是要强化下部，弱化上部。可以采用的方法有以下几种：

（1）与建筑专业协商，使尽可能多的剪力墙落地，必要时甚至可在底部增设部分剪力墙（不伸至上层）。除核心筒部分剪力墙在底部必须设置外，与建筑专业协商后，让两侧各有一片剪力墙落地。这些无疑都大大增强了底部刚度。

（2）加大底部剪力墙厚度。转换层以下剪力墙中，核心筒部分的厚度取600 mm，其余部分的厚度取400 mm。

（3）底部剪力墙尽量不开洞或开小洞，以免刚度削弱太大。

（4）提高底部柱、墙混凝土强度等级，采用C50混凝土。

（5）适当减少转换层上部剪力墙数目，控制剪力墙厚度，并在某些较长剪力墙中部开结构洞，以弱化上部刚度。弱化上部刚度不仅对控制刚度比有利，还可减轻建筑物重量，减小框支梁承受的荷载；增大结构自振周期，减小地震作用力。工程综合采用上述几种方法后，转换层上下刚度比在 X方向为0.725，在Y方向为0.813，满足规范要求，效果良好。

2.2 结构平面布局

工程底部为框架—剪力墙结构，体型简单、规则；上部为纯剪力墙结构。在剪力墙平面布置上，东西向完全对称，南北向质量中心与刚度中心偏差不超过2 m，结构偏心率较小。除核心筒外，其余剪力墙布置分散、均匀；且尽量沿周边布置，以增强抗扭效果。查阅计算结果，扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比为 0.85，各层最大水平位移与层间位移比值不大于1.3，均满足平面布置及控制扭转的要求。可见工程平面布局规则合理，抗扭效果良好。

3 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力墙，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，还要承受次梁传给的剪力、扭矩和弯矩，框支主梁易受剪切破坏。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，形成落地剪力墙与框支墙协同工作的受力体系。

3.1 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以放大系数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。

3.2 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，每层每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200 mm，且不小于80 mm，全部纵向钢筋配筋率不宜大于4%。

3.3 转换梁的截面设计方法

目前国内结构设计工作普遍采用的转换梁截面设计方法，主要有应力截面设计方法。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。

3.4 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。

3.5 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。

4 结束语

总之，梁式转换层结构是目前高层建筑中实现垂直转换最常用的结构形式，其正确选择建筑抗震类别、结合结构布置、正确选择各分部的抗震等级、构件设计应注重抗震延性设计的概念、对主要构件进行加强是设计的重点。