高层建筑中转换层结构设计的应用探讨

曾品珣，罗承师

（1.深圳市润投咨询有限公司广州分公司，广东 广州 510630；2.广东省润投咨询有限公司，广东 广州 511400）

0 引言

根据不同的居民生活需要，可以将结构分为不同的类型，根据不同的分类标准，可以得出不同的分类标准，如果按建筑材料的分类，可以分为混凝土、钢、混合、砌块等。按结构形态划分，可分为框架结构（图1）、排架结构和剪力墙结构（图2）等。按建筑高度划分，可分为超高层、高层、多层、单层。根据其特殊用途，可将其分为工业和民用两类。在目前国内，转换层是最常用的一种结构形式，在进行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[1]，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。

图1 框架结构

图2 剪力墙结构

1 合理设计转换层的重要性

转换层结构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。在建筑结构底层，如果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，从而引起转换层的内力增加，从而影响转换层的稳定，降低建筑结构的抗震能力[2]。为此，需要对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。转换层设计如图3 所示。

图3 转换层设计

2 转换层结构设计的应用

2.1 转换梁的构造要求

在进行转换梁结构设计的时候，要尽量避免开洞，并且要按照结构设计的要求，对转换梁剪压比进行严格的控制，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0.4%～0.6%。转换梁中的主筋应使用机械连接的方法，将纵向钢筋之间的接头进行紧密的连接，并且要确保同一区段内接头连接面积不超过主筋截面积的50%，接头位置应避开上部墙体开洞、托柱部位及受力较大部位。对于偏心受拉的转换梁要求上部50%的主筋全长贯通，腰筋间距不大于200mm，直径不小于16mm，且锚入柱内不小于受拉钢筋抗震锚固长度，与此同时，下部主筋必须全部贯通到框支柱的内部。并对离柱边1.5 倍转换梁高范围内的箍筋进行加密，加密箍筋直径不小于10mm，间隔不大于100mm，并结构抗震等级，控制加密区最小面积配箍率，以确保其延性。

2.2 框支柱设计

为确保框支柱的设计合理，箍筋的直径应该不小于10mm，间距不大于100mm 及6 倍纵筋最小直径，沿柱全高加密。并应较普通框架柱提高其箍筋体积配箍率特征值不小于0.02.根据其抗震等级，控制框支柱的纵向钢筋最小配筋率，同时还要确保框支梁的纵向钢筋间距不小于80mm，不大于200mm，及纵向钢筋配筋率不会超过4%。同时，在内力设计时，应根据抗震等级对地震内力进行放大。一、二级转换柱由地震作用产生的轴力应分别乘以增大系数1.5、1.2。与转换构件相连的一、二级转换柱的上端和底层下端截面弯矩组合值应分别乘以增大系数1.5、1.3，转换角柱的弯矩、剪力设计值应分别再乘以增大系数1.1。与此同时，要按照框支框架个数来对框支框架进行剪切刚度设计，确保框支框架转换层刚度与其相邻上层的刚度比不宜过小[3]。

2.3 转换层抗震设计

从建筑物转换层抗震理论和有关分析结果中可以得知，在对建筑物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，以确保建筑物转换层结构拥有一定的抗震性能，与此同时，还要保证一些重要的部件及普通竖向部件复核中震、大震下的抗剪性能和抗弯性能，根据不同结构构件的重要程度选择合理的抗震性能水准，这样可以将施工设计成本降到最低。不过，要特别指出的是，对于转换结构，还应补充时程分析，复核其在地震波的反复作用下的内力时程以及损伤程度，这样才能保证建筑物结构的抗震性能满足设计要求。转换层抗震设计如图4 所示。

图4 转换层抗震设计

2.4 框支梁设计

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，而转换梁泛指在竖向构件之下的框架梁；托住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；转换梁两边的楼板层与正常楼板层相同，但在框支梁两边的楼板层除了具有正常楼板层的功能之外，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。

在确定框支梁断面时，要考虑到上部墙体所承受的剪力和荷载的比例，其框支梁断面宽度应不小于2 倍墙厚及400mm 的较大值，并按框支框架的跨度和受力大小来确定框支梁断面高度。因为框支梁是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，在对框架梁进行设计的时候，应该准备多个设计方案，并在框支梁上设计出一种传力合理的结构，根据建筑物抗震等级要求，控制框支梁纵筋最小配筋率[4]。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，并对配箍进行加强。

2.5 斜截面抗震设计

一般情况下，在给定水平力时，由于柱子截面的差异，其结构形式也就不同，因而，受力比例影响的程度也就不同。因此，在实际设计中，柱截面和剪力墙的设置都要根据地震倾覆弯矩比例进行调整。开展建筑构造抗震设计的关键是通过提升建筑物本身抗剪水平和承重能力，实现建筑物良好的抗震性能。所以在开展具体设计工作的时候，能够在建筑结构的剪力墙周边布设相关梁柱等构造，利用这类梁柱构造对剪力墙实施相应保护。所以，能够使得地震当中的斜向裂缝扩展以及蔓延情况减少，对墙体构造的安全性以及稳定性的维护具有关键的影响。加入地震之中的剪力墙构造遭受一定损伤，则墙体周边梁柱构造能够取代剪力墙来继续发挥其承载功能，从而就可以实现斜截面抗震目标。斜截面如图5 所示。

图5 斜截面

2.6 墙肢面设计

开展建筑构造抗震设计的时候，能够通过控制单个墙肢面积以及多墙肢构造布置等措施，预防结构当中产生抵御裂缝。除此之外，多墙肢的设计方式还能够使得剪力墙刚度和强度获得有效提升，从而能够提升框架剪力墙构造的抗震水平。改善墙肢面的设计，能够使得建筑构造抗震水平获得有效提升，所以相关设计工作人员应当充分关注墙肢面设计工作。

2.7 楼板的设计

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180mm 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，在转换层的混凝土结构设计中，建议添加1%的钢纤维，以增强混凝土结构楼板的抗剪切强度，以便有效传递转换墙肢的剪力。在进行楼面开口时，要注意不要开口太大，要在开口附近设置构造梁帮助楼板传递剪力。

适当加强转换层相邻楼层的楼板，将楼板厚度提高到150mm，并进行双层双向配筋。在对建筑物上、下楼层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相邻落地墙之间的间距不大于10～12m，并且落地墙之间的间距应控制在不大于1.5B～2B 和20～24m，此处，B 为落地墙之间的楼盖平均宽度[5]。

2.8 合理选择建筑的材料

为了确保高层建筑转换层的材料良好，且结构具备合理性，在确定建筑选材时，应该首先考虑到建筑的性能，使其能够维持建筑的整体稳定性。在选择材料时，首先要考虑不同部位的实际需要，选择高承载力和抗弯承载力的材料类型。在设计转换结构时，使用高承载力、高延性的材料可以确保建筑物具有良好的抗震效果。在结构设计中，可以采用型钢混凝土（钢骨）梁的转换结构，从而提高其抗震性能。

3 结语

从目前建筑业的发展趋势来看，我国目前的超高层建筑越来越多，工程建设规模越来越大，对建筑结构的设计提出了新的要求。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，可靠性高，结构设计简单，施工方便，还有利于降低造价。