论述高层建筑梁式转换层的结构设计

论述高层建筑梁式转换层的结构设计

林俊兴

佛山市岭南建筑设计咨询有限公司 广东佛山 528000

摘要：很多高层建筑上部楼层被定位成居民住宅，而下半部分则支持办公与商业活动，多功能型建筑的数量也逐渐增加。下部楼层需要少墙大柱网的大空间，而上部刚好相反。为了转换不同楼层的差异化功能，需应用水平转换结构构件，即设置转换层。现探讨梁式转换层这种常用转换层的设计方法。

关键词：高层建筑；梁式转换层；结构设计

1、转换层的主要结构形式
  我国的高层建筑发展迅速，转换层应用上出现了丰富的形式，如梁式、箱形、厚板、桁架、斜撑、搭接柱、巨型框架等转换，到目前为止全国各大城市带有转换层的高层建筑已经数不胜数，而在这些转换层建筑中大部分高层建筑的转换层是梁式，其占到所有接触转换层的比例达3/4，而板式转换层只占到了1/5左右。出现这种状况的原因主要是梁式转换层不仅设计和施工都比较简单，而且受力明确容易分析。而板式转换的优势是整体性更好，上部竖向构件布置更灵活，但厚板转换层自重大，地震效应明显因此在高烈度区使用受到限制。

2、高层建筑梁式转换层的选择
  当一个楼层仅小范围转换（不超10%）或局部设置少数转换构件时，为局部转换，除此之外都是整体转换。转换层一般设置在建筑物底部几层，根据烈度不同要求不同。当设置位置高于规范要求，则为高位转换。转换位置越高，结构延性越差，剪力墙底部加强部位越高，构件抗震要求也越高，故一般采用低位转换。转换层能保证建筑的主要使用功能，但受到层高的限制以及专业设备的要求，转换层主要选择梁式转换层、箱式转换层等不同形式，根据工程项目的实际以及建设标准进行比较。梁式转换层将上部的剪力墙落在框支梁上，框支柱支撑着框支梁，实现双向梁布置，不仅受力性能好、设计施工非常简便，而且在高层建筑中广泛应用，但其存在着空间受力复杂的问题，截面尺寸大，易引起转换层上、下刚度突变等缺点。

3、高层建筑结构设计中的梁式转换层结构设计要点

3.1 设计原则

尽可能减少转换，让上部竖向构件尽可能落地；尽量让水平转换结构传力直接；尽量弱化转换层上部结构刚度，同时强化转换层下部结构刚度；优化转换结构；计算全面细致。

3.2对转换层分析计算

根据结构实际情况，确定能体现结构受力状况的力学模型，并借助软件进行整体计算。将整体计算结果中转换层及相关构件的内力作为外荷载，采用有限元方法进行局部补充计算，根据得到的应力进行配筋设计。在结构分析软件YJK中采用三维空间建模，一般对框支转换大梁（即托墙转换梁）采用壳单元，对托柱转换梁采用杆系单元。为了更准确模拟，可将转换梁、转换柱、被转换墙柱指定为实体单元。通过工程数据对比可知，采用实体单元能有效的解决转换梁抗剪超限以及被转换墙恒载作用下剪力过大而导致抗剪超限的问题。建模时需注意实体单元构件和上下层相关构件的连接时，上下层必须设置同样位置的节点。斜交杆件、弧形杆件等复杂连接，软件尚不能支持定义实体单元。
  3.3转换梁设计
  在梁式转换层中，转换层将上一层结构中所产生的水平剪力向下一层结构传递，转换层既要承受水平面内很大的剪力，也要承受一些竖向荷载，因此，转换层应该具备足够的强度和刚度。在转换层的应用过程中，转换梁不仅需要承受上部剪力墙施加的水平力，还需承受剪力墙或柱施加的竖向力，转换梁自身受力负荷较大。因此，在对转换层进行设计的过程中，设计人员应该注重对转换大梁的设计。具体而言，框支梁砼强度等级≥C30，特一、一、二级抗震和非抗震，转换梁上、下纵筋配筋率应≥0.6%、0.5%、0.4%和0.3%。箍筋直径应大于10mm，间距加密区应≤100mm、非加密区应≤200mm，必要时全长加密。梁腹板应设置直径≥16mm，间距≤200mm的腰筋。转换梁偏拉受力时，支座面筋应50%拉通，底筋全部锚入转换柱内。

3.3转换层上部框架设计
  对于转换层上部框架设计而言，应遵循强柱弱梁的原则，应确保塑性铰先在梁端出现而不是柱端。抗震设计按框架结构的相关规定执行。根据相关梁式转换层的研究实验表明，梁式转换层与柱的相连位置通常是薄弱点，易产生安全事故。转换层上层框架梁柱受力复杂、应力集中，设计时应予以加强。设计人员在具体的设计过程中，应充分考虑框支框架的受力情况，再给予科学合理的设计。

3.4平面布局设计
　　平面布置应力求简单、规则、均衡对称，尽可能使结构的质量中心与结构刚度中心接近，减小扭转的不利影响。不得对角部剪力墙的底部开转角大洞和边榀剪力墙进行框支转换。

3.5结构竖向布置
  高层建筑的侧向刚度设计通常按照下大上小的方式，但是转换层高层建筑结构，却呈现出相反的特点。对转换层结构的侧向刚度进行分析，并且与建筑专业协商，尽量保证较多剪力墙落地，必要时还应增加底部剪力墙部分，提高底部刚度的整体效果，除去核心筒部分，剪力墙在底部必须要外圈设置，与建筑专业协商使两侧各有一道剪力墙落地以增强抗扭刚度，还可以加大底部剪力墙的厚度。

转换层剪力墙设计中，核心筒的厚度应该为400mm，其余为350mm即可，底部剪力墙不要开洞，以避免造成刚度削弱。增强底部混凝土墙柱的整体刚度，可采用C40以及更高标号的混凝土。尽量控制转换层上部剪力墙的数目，并且缩减墙体厚度，在剪力墙超长部分可以开结构洞，从而减轻刚度，弱化上部刚度能够对高度进行控制，减轻建筑物的整体重量，增强结构的抗震性能。
  3.6转换柱设计

转换柱截面尺寸主要由轴压比控制并应满足剪压比要求。为保证转换柱具有足够延性，对其轴压比应严格控制，对部分因截面尺寸较大而形成的“短柱”，轴压比的控制应更加严格。柱截面延性还与配箍率有密切关系，因而转换柱的配箍率也比一般框架柱大得多。作为重要的竖向构件，为增加安全性，对转换柱柱端剪力及柱端弯矩均要乘以相应的增大系数，即强柱弱梁。 

3.7转换楼板设计

以转换层为分界限，框支剪力墙在下部与上部具有差异化的内力分布特点。在上部楼层系统中，水平剪力根据各层等效刚度按比例进行分配；在下半楼层中，落地型剪力墙与框支柱具有不同的刚度，落地剪力墙集中承受水平剪力，分配荷载时形成突变。设计转换层楼板时考虑到楼板在平面范围内变形幅度大，受荷也比较大，因此要使其有充足的刚度，故转换层楼板砼强度等级≥C30，厚度宜≥180mm，并采用双向双层配置钢筋的方式，每方向每层的配筋率宜≥0.25%，与转换层相邻楼层的楼板也应适当加强（如板厚≥150mm，并双层双向拉通）。

3.8抗震结构设计
  高层建筑结构设计中，抗震结构设计是重要的一个设计环节，是确保建筑结构设计整体质量的关键。同理，在设计梁式转换层结构的过程中，同样注意综合考虑其抗震结构设计。根据建筑物的抗震设防烈度、抗震设防类别、建筑高度、所处的场地类别以及结构类型等众多因素，综合分析确定建筑物的抗震等级。转换层及下部结构的抗震等级一般比转换层上部结构的高，抗震要求更高。

结语

综上所述，本文介绍了高层建筑转换层的主要结构形式，并针对最常用的梁式转换的设计原则及设计要点进行论述。

参考文献：

[1]毛维帅.高层建筑梁式转换层结构设计分析[J].住宅与房地产,2020(04):86+107.

[2]石开明.浅谈高层建筑梁式转换层的结构设计[J].科学技术创新，2020（24）：115-116.

[3]刘奕明.高层建筑梁式转换层结构设计的要点分析[J].建材与装饰,2019,(13):91-92.