建筑结构转换层设计的原则及方法分析

梁俊颖

(北京世纪中天国际建筑设计有限公司广东分公司，广东广州 510000)

1 建筑结构转换层设计原则

关于建筑结构转换层的设计原则，可概括为“竖向布置原则”“平面布置原则”“结构计算原则”三个方面，具体内容如下。

1．1 竖向布置原则

由于高层建筑上下部结构体系存在较大的差异性，沿着高度方向，转换层需要达到规范要求的标准刚度，包括梁体、梁板等在内的结构构件，在进行竖向布置时，一方面需要尽量避免高位转换，即兼顾转换层之间的位移角和剪力分配，以免形成不利于抗震的薄弱层，通过以控制层数的做法满足设计的需求，另一方面是在布置形式方面下功夫，譬如以分段布置大跨度楼盖结构，以满足各个主梁之间的间距需求，与柱列的改变原理如出一辙。

1．2 平面布置原则

平面布置只有两个方面的设计重点，一是转换层周围柱列或者角筒上方的入口布置，要求控制好过渡段柱列的疏密，可在这些位置布置水平转换构件，另一方面是纵向和横向布置时，通过相邻层调隔布置、柱网协调布置、相邻层垂直布置等，从而形成转换层之间的对角线和放射性统一关系。

1．3 结构计算原则

转换层结构设计，计算是不可或缺的步骤之一，其计算方法甄选，前提是分析转换层结构的空间形态，借助三维空间分析等方法，计算出转换层的内力和位移参数，亦可采用高精度的平面应力单元，对转换层的平板和箱形结构等进行局部应力计算。至于计算高度的选择，应该紧扣转换层的层高和相邻下层层高参数，合理划分和选择单元。

2 建筑结构转换层设计方法

在明确建筑结构转换层设计原则的基础上，笔者基于实际建筑结构工程设计经验，在进行结构布置之后，分别对框支梁、框支柱、剪力墙、框支楼板、厚板、转换桁架等进行设计，具体设计方法如下。

2．1 结构布置

基于高层建筑的结构特征，通常是地面以下空间设置框支剪力墙，而地面以上的不同层数，需要严格控制具体的抗震烈度，譬如3层以下的结构抗震烈度至少为8度，3层～5层结构的抗震烈度至少为7度。其中转换层结构的上下部，在侧向刚度比方面，以及楼板在错层布置方面，在非抗震设计时和抗震设计时，均要求控制好支层设计间距，以便为转换层结构的布置腾出更加充足的空间。

2．2 框支梁设计

框支梁的设计，在截面方面具有一定的限制条件，要求与框支柱的截面中线保持叠合，并将框支梁的截面宽度，控制在同方向框支柱截面宽度以内，但需要大于上部墙体截面厚度的2倍，即400 mm。其中梁截面的高度是跨度计算的重要参数之一，可分为无地震作用组合和有地震作用组合两类。至于配筋构造，分为七个方面的设计步骤:1)框支梁上部纵向钢筋与下部纵向钢筋最少配筋量的确定，其中非抗震设计时至少为0．3%，一级抗震设计至少为0．6%，二级抗震设计至少为0．5%，三级抗震设计至少为0．4%;2)框支梁受拉时，在柱内贯穿直径16 mm以上的纵向钢筋，并保持200 mm以内配置距离;3)框支梁制作位置设置加密箍筋，其中箍筋的直径和间距分别为10 mm和100 mm，并规定非抗震设计时含箍率至少为0．8ft/fyv，一级抗震设计至少为1．3ft/fyv，二级抗震设计至少为1．2ft/fyv，三级抗震设计至少为1．1ft/fyv;4)借助机械连接框支梁的纵向钢筋接头，在同个截面内的接头总面积，应该保持在所有纵向钢筋截面总面积的一半以内，以及尽量不在上部墙体预留孔洞位置连接接头;5)当框支梁上方的墙体设置门洞，则要按照规范要求在这个位置配置加密箍筋，如果框支梁的受剪承载力要求高，则需要适当加大洞口的连度;6)框支梁周围不适合开洞，如果不得不开洞，则建议在距离框支梁上弦杆和下弦杆较远的位置配筋和加强型钢，在确保开洞后能够满足框支梁的承载力要求后，再进行开洞;7)在转换层的主体结构位置上，由于竖向布置复杂，因此需要通过应力的分析，根据应力标准对配筋情况进行仔细校对，而不能够盲目采用框支主梁和次梁的方案。

2．3 框支柱设计

框支柱设计的截面也有一定的限制条件，其中包括柱截面的宽、截面组合最大剪力设计值、框支角柱弯矩设计值、框支角柱剪力设计值、轴压比限值等，柱截面宽度非抗震审计时至少为400 mm，抗震设计时至少为450 mm，同时按照不同类型的框支剪力墙，确定具体的抗震等级。1)基于轴压比视角分析轴压力设计值与框支柱截面轴心抗压强度设计值的比值关系;2)框架柱使用的井字复合箍，间距、肢距、直径分别控制在100 mm，200 mm，12 mm以内，而结合轴压比限值增加幅度，其这些参数都需要予以相应调整;3)框架柱所增设的芯杆，可按照箍筋配筋特征值，确定具体的轴压比增加值。至于配筋的构造，中柱、边柱、框架柱在不同抗震等级时，最小配筋百分率分别为:一级抗震等级时，中柱和边柱百分率1．0%、角柱百分率1．2%、框支柱百分率1．2%;二级抗震等级时，中柱和边柱百分率0．8%、角柱百分率1．0%、框支柱百分率1．0%;三级抗震等级时，中柱和边柱百分率0．7%、角柱百分率0．9%;四级抗震等级时，中柱和边柱百分率0．6%、角柱百分率0．8%;非抗震设计时，中柱和边柱百分率0．6%、角柱百分率0．6%、框支柱百分率0．8%。通过框架柱纵向钢筋最小配筋率的设计，即可沿着框架柱全高加密箍筋，其中箍筋的形式有普通箍、复合箍、螺旋箍、复合螺旋箍几种，具体箍筋形式的应用，需要根据不同抗震等级的轴压比设计值要求，确定最小配箍的特征值。

2．4 剪力墙设计

剪力墙的设计需要重点满足加强部位的要求，鉴于剪力墙底部的加强部位具有级别要求，因此其弯矩设计值，应该按照剪力设计值的规定予以调整，并保证落地剪力墙基础的整体性和抗转动性能够符合设计规范要求。在此，剪力墙的轴压比限值确定，与剪力墙结构本身的抗震设计要求相关，其中一级抗震轴压比为0．4N/fcA，二级抗震轴压比为 0．5N/fcA，三级抗震轴压比为0．6N/fcA，并兼顾包括剪力墙肢截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值。在确定剪力墙轴压比限值之后，就可以进行配筋的构造，首先是检查剪力墙是否有预留门洞，如有则需要在墙体门洞的边缘设置翼缘墙和端柱，然后为约束边缘构件要求内，设计配筋;其次是分抗震设计和非抗震设计，设置转换层梁体内的锚固长度;最后是在布置竖向钢筋之后，在一定高度范围内，同步设置水平分布筋，其中框支梁的净跨、框支柱截面高度、剪力墙截面厚度、组合平均压应力设计值等，均需要考虑在内。至于部分框支剪力墙结构，除了全面考虑水平分布钢筋和竖向分布钢筋的最小配筋率，还需要控制钢筋的间距和直径，使得配筋率分别满足抗震设计时0．3%以上和非抗震设计时0．25%以上的要求。

2．5 框支楼板设计

框支楼板的设计相对简单，设计时要按照剪力设计值的要求，布置平面建筑支层楼板。对于框支楼板截面厚度和宽度的控制，可按照刚性楼板的设计值，按照不同抗震强度要求，计算出穿过框支层楼盖钢筋的截面面积，进而对承载力系数进行调整，使得楼板平面内的受弯承载力验算流程能够得以简化。转换层楼板的厚度，原则是180 mm，但由于双层双向配筋的配筋率具有差异性，因此可对厚度进行适当调整，以便提高楼板锚固于边梁的牢固程度。另外在剪力墙和筒体外的周围，也不适合预留门洞，应该将门洞设置在边梁位置，并将门洞宽度控制在2倍框支楼板厚度以上和保持至少1．0%的纵向配筋率。至于纵向配筋的接头，可通过焊接，使得转换层之间楼板更加稳固。

2．6 其他设计

一方面是厚板的设计，建筑结构转换层的厚板，起到抗弯、抗剪、抗冲切的能力，因此其厚度的控制直接关系到厚板性能的实现，但为了便于厚板与转换层的衔接，在某些局部位置，可加工成薄板，或者将厚板做成夹心板。那么，我们应该如何准确拿捏厚板的具体尺寸，在此，笔者建议对整个转换层的厚板进行划分，然后利用有限元分析法，按照不同剪力和弯矩的设计值，校核具体的配筋，以及沿着受弯纵向钢筋的方向，配置配筋率至少为0．6%的双向双层抗剪箍筋，以便预防厚板出现水平裂缝，对于整个钢筋骨架网强度的增加，也具有很大的作用。另一方面是转换桁架设计，设置于框架上，将核心筒和筒中筒结构的密柱，转换成稀柱，期间要求将斜杆的交点作为上部密柱的支点，这样通过配筋的加强，就能够有效预防集中应力的影响，但如果属于桁架满层设置方式，则要重点控制好整体的受力和刚度，可按照强剪弱弯的配筋方式，提高竖腹杆的配置水平，并与楼板的上弦杆和下弦杆锚固连接。

3 结语

由于高层建筑上下部结构体系存在较大的差异性，沿着高度方向，转换层需要达到规范要求的标准刚度，其设计原则包括“竖向布置原则”“平面布置原则”“结构计算原则”三个方面，在明确建筑结构转换层设计原则的基础上，笔者基于实际建筑结构工程设计经验，在进行结构布置之后，分别对框支梁、框支柱、剪力墙、框支楼板、厚板、转换桁架等进行设计。通过文章的研究，基本明确了高层建筑结构转换层的设计方法，但出于不同建筑结构设计需求和条件的差异性，在应用以上设计方法时，仍然需要结合实际设计工作的情况，对这些方法予以进一步的补充和完善。

［1］ 朱 亮，周 伟．探讨高层建筑梁式转换层结构设计［J］．四川建筑，2009(1):119-121．

［2］ 郑礼安．高层建筑梁式钢筋混凝土转换层施工技术［J］．四川建材，2007(4):195-196．

［3］ 蒋 超．浅谈住宅建筑中带转换层的框支剪力墙结构设计［J］．四川建材，2008(6):117-118．

［4］ 杨京俊，陈海新．高层建筑中转换层结构的影响因素与分析方法［J］．山西建筑，2007，33(8):82-83．