关于建筑工程中混凝土结构梁式转换层设计技术的研究

叶锦俊

（广东省建科建筑设计院有限公司，广东广州 510000）

0 引言

在高层建筑的设计中，为了满足建筑的使用功能需求，在高层建筑的底层，在上层楼层的一些垂直构件（剪力墙、框架柱）无法直接连续贯通落地的时候，就需要设置一个结构转换层，并在结构转换层中布置转换结构，我们将该结构称为具有转换层的复杂高层建筑。带转换层的结构是一把双刃剑。从建筑的使用功能来看，它无疑是将底层的无柱空间进行了扩展，这样就可以最大程度地提高建筑布局的灵活性，适合在大型商场等的运营。但是，从抗震的角度来看，在转换层的结构中，有一些竖向抗侧力构件并没有贯通，而是利用水平转换结构，将上面的竖向荷载转移到下面的竖向荷载，这样的话，传力途径就会发生根本的改变，因此，传力途径会进行多次的转换，从而使其受力变得更加复杂。此外，在转换层中，竖向刚度和剪力都会出现突变，很容易形成一个薄弱的区域。此外，在偏心载荷的作用下，转换梁还会产生扭转效应，这对抗震非常不利。因此，如何对转换层进行合理的设计，就显得尤为重要[1]。

梁式转换层在高层建筑中的使用日益广泛，其传力明确，受力性能良好，工作可靠，结构设计简单，施工方便，造价节省。它是一种广泛使用于高层建筑中的转换层。

1 梁式转换层的结构优化

在建筑结构底层，如果梁式转换层设置在较高的楼层，将会引起转换层上、下两个楼层的刚度发生突变，造成剪力墙出现开裂，从而引起梁式转换层的内力增加，影响转换层的稳定，降低建筑结构的抗震能力。为此，需要对梁式转换层进行结构优化，并对转换层进行合理的内力调节，增强梁式转换层的承载能力，并选择合适的转换件，以确保建筑的使用功能。

1.1 梁式转换层的内力调整

从建筑物转换层抗震理论和有关的分析结果中可以看出，在对建筑物梁式转换层结构进行优化时，可对框支柱、转换梁等转换层结构的内力设计进行合理的调整，从而提高建筑楼层的最小水平地震承载力，保证在建筑结构遇到地震时，楼层之间的梁式转换层结构还具备一定的弹性，从而降低地震对建筑物造成的影响。在此基础上，通过对梁式转换层在纵向和横向两个方向上所承受的内力进行合理的调节，确保框架梁和剪力墙的承载能力满足设计要求，确保该建筑梁式转换层具备双侧抗侧能力。对弹性阶段的设计内力做出相应的调整，以确保建筑物梁式转换层结构拥有一定的抗震性能[2]，与此同时，还要保证一些重要的部件及普通竖向部件拥有一定的抗剪弹性和抗弯曲性，还可以让建筑梁式转换层的一些部件处在非弹性工作状态，这样可以将施工设计成本降到最低。不过，要特别指出的是，非弹性梁式转换层的部件应该具备抗剪截面，还要定期对梁式转换层的内力大小、抗震性能等重要信息进行检测，并对梁式转换层中出现的裂缝进行修复，这样才能保证建筑物结构的抗震性能不会受到影响。

1.2 加强梁式转换层的结构强度

适当提高转换梁错层区域的楼板强度，将楼板厚度提高到18cm，并进行双层双向配筋，确保配筋率不小于0.25%。在对建筑物上、下楼层梁式转换层的结构强度进行优化设计时，必须确保新增的框支柱与框支梁之间的间距不大于4m，并且要比地板高度低。当门、窗开口宽度大于1.2m，并且不与剪力墙重叠时，在开口两边加框架支撑梁。同时，在外墙面上的雨棚门开口两边各加一根框架支撑，以确保框架支撑的高度与层高一致。若电梯井道需进行梁式转换层的强度优化，则需在井道4 个角落处布置充足的框架支撑，以提高结构的抗震性能，并在框架梁上加设两根三级钢筋，并将其贯穿。与此同时，如果建筑物填充墙前面一定范围内没有重要的建筑构件，或者没有竖直的墙体，那么就应该按照特定的施工需要，在墙体的前端增加一个框支柱。当填充墙的长度超过5m 或层高超过设计需求的时候，就必须在填充墙的中部增设框支梁，并且它与框支柱的距离间隔不超过4m。这里要特别指出的是，如果填充墙顶部端口不存在垂直墙体或其他构件，那么就应该确保框支柱与框支梁的距离间隔不超过3m，以避免墙体应力过大，从而对建筑结合的抗震性能造成一定程度的影响[3]。

2 梁式转换层结构设计要点

2.1 计算考虑要周全，受力模型清晰

在电算过程中，应该将转换结构视为整体结构中的一个重要部分，使用与实际受力、变形状况相一致的计算模型，来展开三维空间整体结构的计算和分析，在需要的时候，应该使用有限元方法（如PKPM 软件中的FEQ 有限元分析程序）来对转换结构进行局部的补充计算，并按照规范的要求，进行弹性时程分析计算。

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）（简称《高规》）第5.1.12 条，转换层结构是一种复杂高层建筑，所以应该使用至少两个不同力学模型的三维空间分析软件，来对整体内力位移进行计算。例如，可以使用PKPM 软件中的SATWE 和PMSAP 或其他SAP2000 等软件。根据《建筑与市政工程抗震通用规范》（GB 55002—2021）第4.2.3 条，竖向不规则结构的薄弱层在多遇地震下水平地震剪力标准值对尚应乘以1.15 的增大系数，根据《高规》第10.2.4 条，在8 级抗震设防的情况下，转换件的垂直地震作用应该被考虑[4]。

框支梁和转换梁虽然同为一种结构形式，但是二者在结构形式上存在着较大的差异，在对其力学性能进行分析之前，必须先对其力学性能进行全面的分析。简而言之，框支梁指的是在一般剪力墙之下的框架梁，而转换梁指的是在较小的剪力墙之下或柱子之下的框架梁；转换梁仅承受弯矩和剪力，是一种正常的受弯构件；框支梁同时承受拉力，是一种偏心受拉的构件，与砖木框架中的墙梁相似；转换梁两边的地板层与正常地板层相同，但在框支梁两边的地板层除了具有正常地板层的功能之外，还承担着共同的受力功能；转换梁与框架梁在受力上有很大区别，其结构形式及配筋方式也有很大区别。

2.2 转换梁的设计

在进行转换梁结构设计的时候，要尽量避开开洞，并且要按照建筑结构设计的要求，对转换梁上、下弦杆箍筋的剪力进行严格的控制，并按照有关的抗震设计要求，将转换梁上、下主筋的最小配筋率设定在0.3%～0.5%[5]。在展开转换梁中的主筋结构设计的时候，要使用机械连接的方法，将竖向钢筋之间的接头进行紧密的连接，并且要确保接头连接面积不超过主筋截面积的50%，要确保转换梁上部50%的主筋沿梁结构全长贯通，与此同时，下部主筋必须全部贯通到框支柱的内部。并以转换梁的高度为依据，对特定区域的箍筋进行加密，确保加密箍筋的直径超过0.01m，间隔不超过0.1m，并且符合建筑物的地震等级要求，将加密箍筋的最小面积配箍率控制在0.5%～0.8%。力传递方式如图1 所示。

图1 力传递方式

2.3 框支柱的设计

在建筑结构梁式转换层结构经过结构调整和优化后，框架支撑柱的柱顶弯矩需按建筑结构抗震设防标准按1.25～1.5 倍放大系数进行放大。与此同时，要按照框架支撑的个数来对框架支撑进行剪切设计，确保框架支撑的剪切设计和柱顶弯矩的匹配，并要严格确保框架支撑的轴力达到设计要求。以建筑物的地震等级为依据，对框支柱的纵向钢筋配筋率展开设计，当建筑物的地震等级为一级的时候，要确保纵向钢筋的配筋率不会低于1.2%，在地震等级为二级的时候，配筋率不会低于1.0%，还要确保框支梁的纵向钢筋间距不会小于0.08m，不会大于0.2m，并且为了确保框支柱的结构强度，降低设计施工成本，需要确保框支柱的纵向钢筋配筋率不会超过4%，并沿着框支层对框支柱的箍筋进行加密。同时，对加密箍筋的体积配箍率进行了研究，得出了加密箍筋的体积配箍率为1。为了确保框支柱的结构设计是合理的，应该选择复合螺旋箍或井字复合箍对框支柱进行箍筋设计，并且箍筋的直径应该超过0.01m，并且以框支柱纵向钢筋直径的6 倍作为箍筋间距，并且其间距应该超过10cm。

2.4 框支梁的设计

在确定框支梁断面时，要考虑到梁式转换层所承受的剪切和荷载的比例，其断面宽度为2 倍，不能超过0.4m，并按框架支撑的高度来确定框支梁断面高度。因为框支梁是梁式转换层的主要受力结构，它是建筑物剪力墙结构抗震抗剪性能的重要保障，它的受力十分复杂。所以，在对框架梁结构进行设计的时候，应该准备好多个设计方案，并在框支梁上设计出一种安全减震结构，根据建筑物抗震等级要求，确保框支梁纵筋配筋率不低于0.8%。因为框支梁是一种偏心受拉型建筑构件，在梁结构中会有一定大小的轴力。为了确保框支梁的稳定性，需要在框支梁的中部设置一定数量的腰筋，并且沿着框支梁水平布置，腰筋间距不大于0.2m，并且要严格确保将腰肢嵌入框支梁的支座之内。框支梁是一种具有较大承载能力的新型建筑，它是一种具有较高承载能力的新型建筑，在设计时，必须按照“强剪弱弯”的设计理念，严格控制纵向钢筋数目，并对配箍进行加固。

2.5 楼板的设计

梁式转换层的楼板结构将上部水平剪力传递至下部，容易引起楼板应力分布不均匀，产生变形，为了确保楼板的稳定，需采用0.2m 以上的现浇型钢筋混凝土板，增加各层的横向刚度，提高转换梁的抗扭转强度，提高楼板的抗震性能。在对楼板结构进行设计的时候，必须确保混凝土的强度不低于C30，并且使用双向双层配筋，并且要确保其配筋率大于0.25%，与此同时，在梁式转换层的混凝土结构设计中，要添加1%的钢纤维，以增强混凝土结构的抗切强度，增强楼板的抗压能力。在进行楼面开口时，要注意不要开口太大，要在开口附近设置转换梁，同时要确保开口的距离不能超过梁式转换层的外部。如果需要在地面上设置升降机，那么转换层的混凝土墙体就应该采用圆筒结构，这样就可以减少地面的应力。

2.6 强化下部，弱化上部

为了确保底部大空间的整体结构具有合适的刚度、强度、延性和地震性能，需要在转换层底部的基础上，尽可能地增强底部的主体结构的刚度，削弱顶部的基础结构的刚度和变形特性。可以采取如下措施。

（1）和建筑专业人员商量，尽量多地让剪力墙落到地面，有需要时，还可以只在转换层下面增加一部分剪力墙（剪力墙不伸出地面）。除了中心管如楼梯间、升降机等可设于下端之外，最好两边都有一面落于地面的剪力墙，这无疑会极大地提高底层的刚性；在考虑抗震的情况下，如果有多道剪力墙，那么在不地震的情况下，水平落地的剪力墙数量占水平剪力墙总数的比例最好不低于50%，而在不地震的情况下，水平落地的剪力墙数量占水平剪力墙总数的比例最好不低于30%；另外，落地式剪力墙之间的间隔不宜超过20m。

（2）在转换层之下，增加落地剪力墙的厚度，而在转换层之上，对于没有落地的剪力墙，则应尽量增加其间隔，使其变薄，使其变薄，既可以降低混凝土的使用量，又可以降低其刚度。

（3）对于具有过渡层的建筑，在过渡层的上部和下部的刚性比值必须加以控制。通过对转换层之上的楼层高度进行提升，可以对剪切刚度比进行直接的改善。然而，通常转换层之下的空间比较大，层高也比较高，而转换层之上的大部分都是住宅，层高比较低，这就导致了剪切刚度比的增大。如果能够在满足建筑专业要求的情况下，增加转换层之上的楼层高度，或者在住宅的底部增加一层设备层，将设备层和底层住宅设计成一个结构层（在设备层与底层住宅之间的楼板与剪力墙等垂直构件之间留有缝隙，将它们分开），这样就可以使转换层上下两层刚度比的差异变得更小。

（4）为避免在转换层下方的底板剪力墙上出现过多的孔洞，或设置较少的孔洞，以避免对墙体的刚度造成过大的弱化。

（5）对转化层之下的底板剪力墙或底板柱进行混凝土加固，使转化层之下的结构得到增强。

3 结语

在进行梁式转换层结构的设计时，首先要对其进行基本的理论研究，然后通过对其进行分析和检验，从而达到更好的设计效果。同时，合理的平面及竖向布局能够使整个建筑成为一个很好的抗震系统，因此，在进行建筑设计时，需要对建筑进行持续的研究，并对各种方案进行对比，尽可能地制定出最优的技术方案，以确保建筑的安全及经济。