带梁式转换层的高层建筑结构设计浅谈

邓宇文

（江西省建筑设计研究总院 江西 南昌 330000）

带梁式转换层的高层建筑结构设计浅谈

邓宇文

（江西省建筑设计研究总院 江西 南昌 330000）

在高层建筑结构的底部，当上部楼层部分竖向构件不能贯通落地时，应设置转换层，在转换层布置转换结构构件，这类结构称为带转换层的高层建筑结构。近年来，带转换层的高层建筑结构越来越多，而其中带梁式转换层的高层建筑结构应用最为广泛。本文针对这种转换结构类型，从其受力、变形特点的基础上，探讨了一些设计概念和原则。

梁式转换层；框支剪力墙；软弱层；薄弱层；高位转换

在高层建筑结构的设计过程中，经常会碰到这样的情况。一栋住宅楼在标准层是规规矩矩的小开间布局，在底部一层或若干层由于建筑功能的变化，如常常需要用作商场或公共活动场所，抑或业主要求底层有一个通透的大空间。由于这些因素，底部若干层常常要求布置成大开间。

这对于结构专业来说，往往会造成上部楼层的竖向构件在底部几层不能落地。故而在要布置成大空间的楼层的上一层设置转换构件，以将不能落地的竖向构件通过转换构件将其竖向荷载传递到落地竖向构件中。同时通过二者间的楼盖传递未落地竖向构件的水平荷载至落地竖向构件中。由于传力路径被弯折，竖向抗侧构件不连续，增加了结构的复杂程度，对结构的抗震性能也有很大影响。

1　高层建筑结构转换层常见类型及特点

1.1高层建筑结构转换层常见类型

在高层建筑结构中，常见的转换类型有梁式转换、斜杆桁架转换、箱形大梁转换及厚板转换等等。

1.2高层建筑结构转换层的特点

梁式转换用得最广，其设计与施工简单，受力明确，广泛应用于底层大空间剪力墙结构。

斜杆桁架转换可以给建筑提供一定的使用空间，但建筑上不易处理，且桁架节点受力复杂，地震作用下易发生破坏。另外桁架转换层的层高也不宜过小，常控制不小于3m，因为若桁架高度太小时，腹杆成为短柱，地震中容易破坏。

箱形大梁作为转换构件，转换层的侧向刚度大，导致内力也较大，成为抗震的薄弱环节。而且由于转换层的存在，使整体结构的刚度也更大，从而导致地震作用大。

厚板转换也称为板式承台转换层，其优点是下层柱网可以较为灵活布置，缺点是自重很大，材料耗用多。由此导致自重大，质量集中，地震作用产生的水平力会在转换层突然增加很多，受力过于复杂。采用这类结构时应有良好的构造措施和施工措施保证。

2　带梁式转换层的高层建筑结构的受力与变形特性

2.1梁式转换的分类

当梁式转换层转换的上部竖向构件是剪力墙时，可称这种转换形式为框支转换。当被转换的上部竖向构件为框架柱时，可称之为框架转换。

2.2框架转换

框架转换中，由于一根框架柱的抗侧刚度不大，当一根框架柱在底层被抽掉，由转换梁托柱转换。此时转换层上、下的框架抗侧刚度变化并不明显，对结构的抗震性能影响不大。且托柱转换梁自身受力也不复杂，因而本文对于托柱转换不作详述，而对框支转换进行较为详细的探讨。

2.3框支剪力墙

上部剪力墙不能落地，通过转换梁（框支梁）支撑在下部框支柱上，这样的结构即为框支剪力墙结构。

在竖向荷载作用下，框支剪力墙的应力分布特点为：竖向应力在剪力墙上部均匀分布，在转换层及其以上几层竖向应力流向路线向两侧框支柱汇集。因而在框支柱支撑上部剪力墙的局部竖向应力很大，在转换层柱间剪力墙的竖向应力越往跨中越小。其竖向应力流向路径类似于一个拱，从而产生两侧往外的水平推力，而这个推力又由转换梁来承受，因而转换部位的水平拉应力很大。水平拉应力的分布在转换部位下边缘最大，沿着框支剪力墙高度方向往上走，逐渐减小。需要注意的是，在框支剪力墙中，转换梁（框支梁）就是全截面受拉，与一般的受弯梁受力形态并不一样。

在水平荷载作用下，框支剪力墙结构由于上部剪力墙抗侧刚度很大，下部框支柱相对来说抗侧刚度很小，上、下刚度相差悬殊。因而底部框支层的层间变形将很大，地震中常常在框支柱的柱顶或柱底出现塑性铰，易形成机构，发生倒塌。结构设计要力图避免出现这种情况，框支剪力墙结构的设计中应尽量使之不出现软弱层，减小转换层上下刚度差异。

3　梁式转换结构（框支剪力墙结构）的设计概念与原则

3.1设计中应避免出现软弱层

在框支剪力墙结构体系中，要尽量减小上下刚度差异，因而必须有一定数量的落地剪力墙，且要加大落地剪力墙下部的厚度。甚至在不影响下部使用的前提下另加剪力墙，同时应从减小转换构件的截面高度着手尽量压缩框支层高，以提高框支层的抗侧刚度，使转换层上、下抗侧刚度接近，从而避免在框支层形成软弱层。

3.2设计中应避免出现薄弱层

为了避免在框支层形成薄弱层，应提高框支柱和落地剪力墙的承载力和延性。

根据我国现有《建筑抗震设计规范》的“三水准”的抗震设防目标，第一水准，结构进行多遇地震下的弹性整体计算分析。在弹性阶段，由于转换层以下框支柱与落地剪力墙二者抗侧刚度的差异，剪力将主要由落地剪力墙承担。在转换层以上剪力由所有剪力墙承担，而在转换层以下框支剪力墙的剪力大部分将转移至落地剪力墙上，而框支柱本身承担剪力很小。框支剪力墙承受的倾覆弯矩将转化为两端框支柱的轴向拉压力。

对于“三水准”的第三水准，当结构遭遇罕遇地震，将进入弹塑性状态。在弹塑性阶段，由于转换层以下落地剪力墙抗侧刚度远大于框支柱，所以一般落地剪力墙将先开裂，出现塑性铰，继而刚度降低，出现塑性内力重分布，框支柱承担的剪力将增加。因此，在设计中需要对框支柱的设计剪力和弯矩进行放大。

另外，框支柱上端与刚度很大的转换梁（框支梁）相连，下端与基础相连。在水平作用下，若层间变形过大，框支柱在两端将出现塑性铰。因此对于底部一层或两层框支剪力墙结构的框支柱箍筋要全高加密。对于多层框支柱，应在最上层和最底层的框支柱箍筋进行全高加密。甚至为了提高框支柱的变形能力和延性，加强其抗震性能，可采用钢管混凝土柱。

3.3关于高位转换

关于转换层的设置宜把握另外一个重要原则：宜低位转换，尽量避免高位转换。由于设置转换层的结构竖向构件不连续，在转换层上、下竖向刚度有突变，易出现薄弱层，对抗震不利。而高位转换将加剧这些不利影响，且当转换层位置升高至与高阶振型的幅值位置重合时，高阶振型影响将加大。因此在结构的方案设计中，就转换层位置的设置应坚持宜低不宜高的原则。

3.4转换层楼板的设计注意点

对于带转换层的结构，楼板的设计应注意一些问题。底部大开间的框支剪力墙结构，框支剪力墙的剪力要向落地剪力墙转移。而这个剪力的转移是通过连接二者的楼板来完成的，因此对于转换层及其邻近几层的楼板设计就需格外注意。楼板传递剪力的受力状态属于平面应力状态，为了保证楼板传递剪力的能力，设计中要求转换层的现浇混凝土楼板满足一定的厚度，一般不小于180mm厚，并双层双向布置钢筋。在转换层及邻近楼层的楼板不宜开大洞，根据具体情况和传递剪力的多少还应考虑是否将邻近的楼层板进行加强，必要时应对转换层楼板进行详细应力分析，校核楼板的剪应力是否超过相应限值。

4　结语

带转换层的高层建筑结构在方案设计初期，应该根据建筑本身特点选择合理的结构转换方案。在熟悉转换结构的受力与变形特点的基础上，能预知结构的破坏形态，从结构抗震概念设计上对关键构件进行加强，设计出抗震性能良好的合理的转换结构。

[1]《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）[S].

[2]《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）[S]

[3]徐培福.复杂高层建筑结构设计[M].北京：中国.建筑工业出版社，2005.

[4]包世华，方鄂华.高层建筑结构设计[M].北京：清华大学出版社，1990.

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2015-10-1