高层建筑梁式转换层结构设计原理分析

杨词光

（九江城市规划市政设计院）

高层建筑梁式转换层结构设计原理分析

杨词光

（九江城市规划市政设计院）

随着我国城市化建设的脚步加快，城市可用土地资源日益紧张。为缓解这一矛盾，促使我国城市建筑都向着高层建筑发展，而现代高层建筑的结构呈现出多功能、多种用途的综合体。本文就主要针对高层建筑梁式转换层结构设计原则及要点进行了阐述。供同行参考。

高层建筑：梁式转换层：设计原则；类型选择

引言

随着城市高层建筑的快速发展，建筑物的功能不再是单一，如：大型酒店、商住楼、综合办公楼等高层建筑一般以地下室为停车，下底楼层为商业和娱乐区，中部的楼层多数是写字楼，上部则为民用住宅。对不同用途楼层需要不同的空间的结构采取不同的设计，空间上就存在着较大的差异，必须在有结构转换的楼层设置转换构件。底部楼层的受力较大，墙结构要多柱网要密集，要求结构设计上与常规的结构方式布置相反，柱网或是墙体把上部和下部的功能区分开，通过上部楼层小开间，布置刚度较大的剪力墙结构，采用纯剪力墙转换层结构。底部大空间，布置刚度较小的框架，采用框架式剪力墙。由此可见，利用转换层结构设计满足各自的使用与需求，高层建筑梁式转换结构具备传力途径简洁、明确、直接的底部优点，而且垂直转换的结构形式，以传力直接、受力作用明确、施工方便的特点，广泛在现代高层建筑使用。

1　高层建筑中的转换层结构设计原则与类型

在现代高层建筑设计理论中，带有梁式转换层结构是极其关键的技术，也是现代城市标志建筑的代表之一，符合现代城市具有的功能需求。因此，要满足不断丰富功能的基本需求，建筑工程的实际施工过程中，要采取更好的单元型转换结构，尽量保障转换层自身安全、稳固等功能。强化处理竖向结构突变性等问题，避免在结构转换时，尽可能的减少竖向构件，竖向构件存在的越多，就会减少转换的结构，使刚度的突变越小，影响建筑结构的抗震能力。要注意转换柱以及剪力墙应对称布置，设置转换柱和剪力墙时候，尽量让二者对称，梁上面的立柱转换成梁跨中，能够切实有效的解决转换层结构存在的问题，才能满足建筑工程内部的空间布置需求，向着多元化的方向发展。促使现代建筑工程体系的应用空间更加广泛。高层建筑高层中转换层的类型：①结构转换层：不同的结构方式之间转换，以底部框架结构，上部砌体结构，这是我国常见的结构形式，底部建成较大的开间，作为商业的用房。结构形式上部砌体墙用作住宅。上部的砌体墙所承受的内力集中在转至建筑物底郅的框架柱。②功能转换层：高层建筑的中间设置一个设备层，楼层由于比较高，从地下室向上部楼层供电、供水等等，上部供电、供水存在距离比较远，可以在中间设置一个设备层，可以把供水的压差，供电负荷中心的范围等问题在中间楼层地带电负荷的重分配，多功能的高层建筑物在中间地带拿出一个整楼层做为功能转换层，转换层中通常就是设备层。作为设备层设计高度限定为2.2m左右，减少整个高层建筑的占用规划指标。

2　工程实例

某高层建筑为商住合一。建筑高度为48.7m，地上15层，一、二层为商业用房，3～15层为住宅，地下室层高4.5m，二层商业用房部分为：底层层高5.5m二层层高5.5m，住宅部分层高为2.9m。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。

2.1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。

2.2梁式转换层的受力特点

梁式转换结构层的核心构件是转换梁，主要影响转换梁的受力特点因素有：材料使用、尺寸大小，上部的结构类型等，同时，自身的刚度，包括剪力墙以及梁的刚度比。另外上层、下层结构的类型的相对刚度大小。转换梁受力来自上部结构，较大影响转换梁，具有一定的尺寸上部结构的墙时，墙体结构形式对转换梁的内力变化影响很小。本工程在设计转换梁时，考虑转换梁和上部墙体的整体的受力结构，保持一致弯曲变形。拱的特有的作用影响到梁的内力形式，拱结构传力形式竖向荷载作用分解为水平和竖直方向的作用力，中间受拉力，两端部受到压力的形式。在实际分析工作中，利用剪力墙分担转换梁产生的弯矩，墙整体结构的受拉翼缘而内部产生拉力，保持转换梁的受力均衡。

2.3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；同时设置了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1所示。

图1　

2.4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：

（1）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。

（2）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。

（3）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。

（4）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。

2.5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STWE进行结构整体计算，得到转换梁所受设计剪力后，按照亥值不大于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⒍5m，大梁截面尺寸为450mm×1400mm，1400mm× 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。另外，对于一些结构构件采取以下构造措施：

（1）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。

（2）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。

（3）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。

3　结束语

由此可见，高层建筑梁式转换层结构设计方面，应结合现场和市场的需求，对结构形式的设计过程中，要充分考虑不同方面的综合因素，全面详细制定高层建筑结构设计的方案。同时在设计中不断研究比较梁转换层的设计其他种类，为以后施工条件下做出更优的技术方案，确保高层建筑的可靠性、安全性。做好细节的设计，预防容易出现的问题，避免出现安全的隐患，以达到更高的设计和施工目标。

[1]刘旭东.高层建统梁式转换层结枸设计原理探讨[J].低碳世界，2014，07，08：212～213.

[2]潘冬冬.高层建筑转换层结构设计探讨[J].科技创新与应用，2014（24）：243：244.

[3]覃永叙.有梁式转换层的高层建筑结构设计[J].中华民居（下旬刊），2013，09，25：36～37.

TU973

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1673-0038（2015）17-0007-02

2015-4-13