高层建筑梁式转换层结构设计探讨

刘丹莉

摘 要：在经济飞速发展的刺激之下，高层建筑不断拔地而起，转换层结构随着底部大空间结构的发展在方法和形式等方面变得越来越多样化，结构受力也日趋完善。在实现垂直转换的常用结构形式中，梁式转换层结构为最常用的结构形式之一。文章明确了梁式结构转换层受力情况，介绍了高层建筑梁式转换层的设计方法，分析了其受力原理和计算方法，以及特殊抗震设计。

关键词：高层建筑；梁式转换层；设计计算；构造

引 言

现代高层建筑结构的发展趋势之一便是梁式转换层结构。不论是住宅、写字楼，还是底部大空间商场，都离不开结构转换层的设计。转换层结构形式包括箱形梁转换结构、梁墙梁式转换结构、厚板转换结构、桁架式转换结构、空腹桁架转换结构、巨型框架等。由于贵州省贵阳市本地区设防烈度为6度，建筑高度多数均不超过100m，故结构多采用梁式转换结构设计。

1 梁式转换层的结构形式和受力特点

1.1 结构形式

梁式转换层结构是转换结构中最常用的一种结构转换形式，传力途径为墙——梁——柱（墙），转换构件受力明确，设计和构造简单，施工方便等优点，下部大空间灵活，容易满足建筑功能的要求，同时在转换梁受力较小部位可以开设合适的洞口，容易满足建筑功能和设备管道线布置的要求，因此，在近些年的转换层结构设计中应用最为广泛。但高层建筑转换层的设计造成建筑物刚度发生突变，在水平地震荷载作用下，转换层上下容易形成薄弱環节，又是一种对抗震不利的结构，空间受力就较为复杂，是这种结构形式的弊端。

实际工程中，可以依据转换梁的受力特点、工作形式以及应用方式等将转换梁划分为如图1中的几种不同的结构形式。

①上部墙体与转换梁共同工作；②转换梁上部墙体开窗洞；③转换梁上部墙体开门洞；④转换梁上部墙体不满跨，墙体不开洞；⑤转换梁上部墙体不满跨，墙体开窗洞；⑥转换梁上部墙体不满跨，墙体开门洞；⑦转换梁上托剪力墙小墙肢。

1.2 受力特点

建筑中的上部墙体与转换梁是连接的，其某种程度上来说是一个整体，因而两者共同发生弯曲变形。并且由于转换梁是位于受力边缘的，因而其在整体的深梁中也是出于受到拉力的边缘。因而可以得出上部的墙体与转换梁之间的连接使得两者共同进行工作。而且由于转换梁的实质是墙梁，有垂直传力拱效应，使垂直荷载传递到了墙梁，通过负载转移到框架柱或墙的两侧有很大一部分拱作用，转换梁的力的最终结果是由两个因素的影响，因此，不管在转换梁的上壁是什么结构，只要是有一定长度的壁，该转换弯曲的效果相对于排除上部墙体因素时期总体的弯矩要小，转换成相应的一系列墙梁就会出现在受拉区。弄清楚梁式转换结构传力途径以及相应的转换梁的受力特点才能进行梁式转换层结构的计算。

转换梁是梁式转换结构层的核心构件，根据现有的工程经验和分析可以得出，主要影响它受力特点的因素是主要包括梁自身的材料、尺寸形式，上部的结构类型、刚度，剪力墙等和梁的刚度比，以及上层、下层结构的类型、相对刚度大小等等。

2 梁式转换层的设计要点

在进行梁体的设计时，有时候转换梁的上部结构较大，其占据了大部分的设置，也就是说梁体的上部满跨设置，这时梁体与墙体之间的联系就较为紧密，就会导致墙体与梁体之间的共同作用做大化。这样一来，该墙体的上部结构与转换梁之间的手里就如同T型结构的倒装一般，而跨中区域作为轴向拉力的集中点，其就会存在较大的轴向拉力，这样一来其整体梁的设计就不能够按照普通的设计方法来进行设计了。应在采用空间分析程序计算的基础上，用高精度的分析方法对转换梁受力有影响的范围内的结构构件及转换梁进行受力性能分析。梁式转换层的分析中，计算简图可取转换梁附近端范围内（转换梁的净跨度）的墙体以及结构的下层来作为整体的结构模型来进行分析，从而能够根据对于模型的分析来得到充足的数据，从而能够有效的针对其进行设计。

2.1 结构布置

一般在高层建筑结构设计中采用转换层的结构设计，都是因为处于建筑功能的考虑，建筑底层的楼层空间结构设计均为大开间，而上层的空间结构开间则相对较小；下层的梁柱数量较少，而上层的梁柱相对较多。这种结构设计是不符合常规的建筑结构设计的，若不进行转换层结构设计，就会使建筑的楼层结构稳定性和受力性能受到很大影响。但是即便设计了结构转换层，其布置设计不合理，也不会起到良好的转换作用。一般在转换层结构的布置设计中需要注意以下几点布置事项：

（1）平面为长矩形，其平面的横向的剪力墙数量相对而言较多的时候需要对于剪力墙的数量进行对比，也就是说落地剪力墙与横向剪力墙之间数量的比值，非抗震设计时不宜少于30%；抗震设计时不宜少于50%，对于一般平面，在非震区γ应尽量接近于1，不应大于3；落地剪力墙和筒体底部墙体应加厚；

（2）转换层上部结构与下部结构的侧向刚度比应符合本规程附录E的规定；直接落地的竖向构件越少，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。

（3）框支层周围楼板不应错层布置；

（4）落地剪力墙和筒体的洞口宜布置在墙体的中部；

（5）框支剪力墙转换梁上一层墙体内不宜设边门洞，不宜在中柱上方设门洞。

2.2 上、下层侧移角比

用来表示上、下层刚度的大小变化的量值称为转换层结构上、下层结构的侧移角之比。实际应用时，为了保证结构的稳定性，内力直接有效地进行传递，就需要将侧移角比限定在安全范围以内，避免突变。

γ=Δui+1hi/Δuihi+1

式中：γ——侧移角比；

Δui和Δui+1——分别为第i层和第i+1层的层间侧移；

hi和hi+1——分别为第i层及第i+1层层高。

2.3 上、下层刚度比

沿着规则的横向刚度的垂直结构高层建筑应该是统一的，尤其是在高层建筑在底部转换层结构，结构布置应尽量避免明显的刚度突变。为了使上部转换层附近的转换层下部结构侧向刚度的结构的相邻侧向刚度，特别注意应产生软弱层控制刚度突变，减少内力传递的突变程度最大程度上减少上、下转换层之间内力传递途径，保证转换层楼盖有足够的刚度以传递不同抗侧力结构之间的剪力，防止框支柱因楼盖错层发生破坏。因为剪力墙结构的底层较为高大，并且一部分的结构被改为了框架支撑，因而在剪力墙的底部其刚度被大幅度的降低了，为了使低层的刚度稳定，避免其发生突变，需要对于装换层相邻的结构以及其自身加以控制，使控制转换层与其相邻上层结构的等效侧刚比应满足JGJ3-2010附录E要求。

2.4 转换层构件的设计要点

（1）剪力墙的设计要点。底部大空间层应有落地剪力墙（或）落地简体，落地纵横剪力墙最好成组布置；保证大空间有充分的刚度，防止竖向的刚度过于悬殊；加强转换层的刚度与承载力，保证转换层可以将上层剪力可靠地传递到落地墙上去；落地剪力墙，尽量不要开洞，或开小洞，以免刚度削弱太大。洞口宜布置在剪力墙的中部。

（2）转换梁的设计要点。转换梁设计时为了防止梁脆性破坏，箍筋配置得当，要根据梁的剪压比来确定合理的截面尺寸。当对梁进行开设洞口时，要对洞口部位进行加强处理，可以增加箍筋的配置或者设置其他加强构件。框支梁的宽度不小于上部剪力墙厚度的2倍；转换梁上下纵筋配筋率、箍筋的加密及面积配箍率、偏心受拉转换梁纵筋的设置、剪压比等，“高规”中均有强制性规定。

3 转换层结构的抗震设计

转换层结构如果竖向刚度不足，就易在转换层附近发生突变，还要关注垂直横向力分量是不连续的，因此动力传输结构（包括垂直和水平力）通路的突变发生在转换层及其附近，在强烈的地震中，容易产生薄弱部位，因此，在抗震设计时，除控制刚度比转换层下，还应采取措施加强结构构件，包括附近的邮筒，箱形梁，地板墙壁，下层转换层和其他组件，以确保在地震时底部有效地提供和水平剪力结构，要想使高大的建筑物有足够的延性抗震设计，转换层应注意以下几个方面：

（1）在进行抗震设计时，高转换受力结构是非常不利的。通过相应的计算分析表明，在发生地震时，在地震力的作用下，由弯矩分布曲线科研明显的看出倾覆显示转折点在转换层处，下层转换是以剪切墙为主的框架-剪力墙结构，剪力墙倾覆的转换时刻分配下一层递增相对于支撑框架的倾覆力矩要少得多。

（2）在转换层的地方，有很多的剪切力从框支剪力墙上已楼板作为传递通道传递到落地的剪力墙上，这同样是倾覆力矩曲线出现转折的原因。当处于更高的转换层位置时，剪切力分布和传播途径也发生急剧突变更容易产生裂纹剪力墙，支撑框架剪力墻在墙上转换层收到的内力是接巨大的，使得墙体容易被破坏，位于墙体结构下部的支撑框架转换层更容易就范，这样一来就容易造成一些薄弱层。

（3）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，框支主梁除承受上部剪力墙这样用外，还需承受梁梁传给的剪力、扭矩和弯矩，框支主梁易受剪破坏，故规范规定框支剪力墙对受力复杂部位应进行应力分析，并按应力校核配筋，加强配筋构造措施。

（4）大空间剪力墙结构的底部。由于剪力墙的地层结构相对而言较为高大且面积也较大，在加上剪力墙结构由原本的不落地结构不断的变为框架的结构，其底部的刚度被显著降低，为了最大程度上避免底层刚度突变，应控制相邻的上侧结构的等效刚度比转换层。

（5）加强底部框支层及转换层楼板的刚度和延性，故框支柱轴压比要严格控制；转换层楼板要将上层结构的水平剪力传递到下层抗剪结构上去，本身承受很大的平面内剪力，同时又承受部分竖向荷载，因此要求楼板要有足够的强度和刚度。

4 结 语

当然，在高层建筑的转换层结构设计中，所需要注意的设计要点问题绝非仅有本文上述的几点。在实际的建筑设计中，还必须要结合实际情况和当地的地震烈度进行合理设计，确保高层建筑在满足基本的建筑设计要求和抗震性能的前提下，实现最佳的经济效益和功能作用。

参考文献

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