探讨建筑结构设计中的梁式转换层结构设计

探讨建筑结构设计中的梁式转换层结构设计

段方春

南京国昌化工工程设计有限公司

【摘要】现代建筑行业高速发展，随着城市建设中高层建筑数量的增多，传统的建筑结构设计已无法满足高层建筑功能转换的要求，梁式转换层结构是近些年来针对高层建筑而提出的一种建筑结构形式，对于提高高层建筑的功能转化效率具有极为重要的作用。本文通过分析梁式转换层的工作原理和结构设计要求，使相关设计人员明确这种结构的优劣势，从而在具体的建筑结构设计中予以灵活运用。

【关键词】建筑结构；梁式转换层；设计；高层

随着现代城市化进程步伐的加快，城市用地和空间趋于紧张。为了满足城市发展和空间拓展的需要，更多的城市建筑呈现出竖向发展的特点，建筑物的楼层增多，高度随之急剧增加。带转换层的建筑结构被广泛应用在高层建筑的设计中，其中梁式转换层的应用范围最广，与厚板式、箱型、桁架等形式的转换层相比较，梁式转换层的应用率为75%左右[1]。根据目前的建筑业发展趋势，这种结构将在未来建筑结构设计中发挥重要作用。

一、梁式转换层的工作原理

按照结构布置划分，转换层的转换情形包括以下几种：一是不改变上下层柱网和轴线，转换层的上下部结构并未改变，但是抽柱结构发生了转换。二是转换上下部结构，主要的结构类型包括上部剪力墙结构和下部框架结构，转换层能够将上部剪力墙转换成下部框架结构，从而形成不落地剪力墙[2]。三是结构轴线与结构形式同时进行转换，在第二种转换情形的基础上，最大程度错开柱网线和上部楼层轴线，在布置时不对齐上下部。

图1转换结构的几种形式

梁式转换层在转换楼层的顶部（转换层的上一楼层地板）处设置交错式的转换大梁，主要承托上部竖向的传力构件。传力构件主要包括框架柱与剪力墙。为了满足最大荷载，往往使用钢筋混凝土转换大梁，其截面的尺寸也比较大。梁式转换层的结构较为简单，布置方法既可以采取纵向，也可采用横向。在底部空间较大的剪力墙结构中，一般运用双向梁布置进行纵向和横向的同时切换。同时它的受力明确，有着较好的结构力学性能，在施工中操作简便，造价较低。但是受转换梁尺寸的影响，梁式转换层的抗震性能较差；涉及到的设备和管道很多。转换梁腹部开设了大量洞口容易致使应力过于集中。梁式转换层结构的设计工作中，需充分考虑这些因素，改善转换层的功能。

二、梁式转换结构的设计要求

（一）抗震设计

相关研究表明，当转换层所处的位置越高，这种转换层结构的抗震性能越差。因此在结构设计中，既要保证转换梁的刚度符合相关的硬性标准，增强结构的抗震性能，同时还应进一步规范转换梁的高度、材料，剪力墙和构件的布置。具体的设计要求包括以下几个方面：（1）转换梁的高度应大于其跨度的20%，其材料应为高性能的混凝土材料。（2）若建筑的底部空间较大，其框支剪力墙结构的层数应控制在6层以内；若建筑采用转换层的上下结构的刚度性能较好，上下构件的内力突变不明显，可以适当提升转换层的高度。此外，根据建筑物确立的抗震等级，还需有针对性地调整转换层的高度。例如，针对9度的抗震设防烈度，带转换层的建筑结构不能应用在建筑中。（3)高层建筑中应用梁式转换结构时，针对转换柱与剪力墙，一方面应根据相应的技术规范来布置，另一方面要保证两者的对称性，剪力墙应置于转换柱的中间。此外，应尽可能减少竖向转换构件，过多的竖向转换构件不仅会降低功能转化的效率，还会增加转换构件的数量，从而影响了这种结构的稳定性，给整栋建筑埋下安全隐患。

（二）结构布置

针对高层建筑转换层的结构布置，应尽量增大建筑下部的刚度，使柱网和墙体集中在下部。这种结构布置方法应符合建筑功能需要，在具体的建筑结构设计工作中应充分结合建筑物的地形、楼层数量、结构和布局来进行布置。结构布置的具体规范包括：（1）建筑底部的大空间层数超过一层时，转换层的上部结构和下部结构间等效侧向刚度应尽可能接近，要将二者的比值控制在1.3以内。（2）对于结构复杂的高层建筑，水平最大位移与层间位移的比值应小于楼层平均值，控制在楼层平均值的1.2~1.4倍之间为宜。（3)带转换层的建筑一般受力比较复杂，应尽可能控制转换布置的数量，重点贯通上、下主体将水平转换结构进行直接传力，避免多级转换。例如框架与核心筒的结构中，为了不打断核心筒，剪力墙应尽量进行落地布置。（4)科学的结构布置离不开准确和全面的计算。选择贴近建筑实际情况的力学模型进行受力分析和整体的结构计算，将有限元法作为转换层局部的计算方法。

（三）受力情况

梁式转换结构的力量传输途径为：剪力墙传至转换梁，而后传至转换柱。这种传导途径十分直接和明确，利于结构设计人员计算和分析。分析转换梁的受力情况，需明确作为传力方的剪力墙的刚度，转换梁本身的刚度和起支撑作用的转换柱的刚度情况。根据专业研究人员对转换梁受力的研究结果，若转换梁跨度不超过12m，转换梁能够承托的层数为3~5层。由此可知，当建筑结构设计中的承托层数为3~5层时，可根据3层的标准来计算。

（四）材料强度

梁式转换结构中主要应用的建筑材料是钢筋混凝土，针对建筑的不同楼层，混凝土的强度有相应的要求：一般而言，建筑的-2~5层，墙、柱混凝土强度要求为C50，梁、板混凝土强度要求为C30；建筑的第6层，梁的混凝土强度要求为C50，其他构件的混凝土强度要求与-2~5层相似；建筑的7~8层，梁的混凝土强度要求为C30；建筑的9~10层，墙的混凝土强度要求为C40；10层以上的墙、梁混凝土强度要求为C30，14层以上板的要求为C25。

结束语

梁式转换层结构又称梁式框支剪力墙结构，它的主要工作原理是使用框支柱承托框支梁，由框支梁来支撑上部的剪力墙，从而实现建筑的功能结构转换。基于对梁式转换结构特性的了解，考虑到这种结构中转换梁的尺寸过大会导致结构抗震性能差问题，在具体的工作中要重点把握剪力墙结构和转换层位置的设计，灵活进行结构布置。随着城市高层建筑数量的剧增，对于未来梁式转换层结构的设计，应充分结合建筑物的性能和用途，明确相关的设计规范，优化重要构件的设计，使这种结构更好地发挥功能转换作用，更好地应用到城市建筑中。

参考文献：

[1]李宝花,徐贵成,王连花.复杂高层建筑梁式转换层结构设计分析[J].建筑技术开发,2011,（02）:5-6.

[2]王杰.梁式转换层和桁架转换层结构设计方案对比分析[D].西南交通大学,2011.