高层建筑梁式转换层结构设计的要点分析

高层建筑梁式转换层结构设计的要点分析

成茂奇 许春荣

陕西煤化建设设计有限公司 陕西西安 710000

摘要：为了满足建筑物空间多样性的要求，建筑物中的柱网往往随建筑物高度而发生改变，如在大型商业建筑中，底部为大开间娱乐购物广场，而上部为小开间公寓或者办公写字楼，此类结构体系竖向构件不连续，为典型的“下柔上刚”非常规结构体系，因此需依靠转换层来改变抗侧力体系的突变性。本文重点研究梁式转换层的设计原理，并对高层建筑梁式转换层的结构设计进行分析和研究。

关键词：高层建筑；梁式转换层；结构设计原理；原则要点及注意事项

一、梁式转换层的主要结构形式及受力特点

（一）梁式转换层结构形式

（1）梁式转换层主要构件是转换梁。转换梁有多种形式，从跨数上，可分为双跨及多跨。根据转换梁所支撑的上部墙体情况，可分为满跨和不满跨、部分开洞和不开洞、开门洞及开窗洞形式。从转换梁实现建筑功能情况可分为托柱和托墙形式。

（2）从实际的工程材料使用上，可分为钢筋混凝土、预应力混凝土和（型钢）钢骨混凝土、钢结构等形式。

（3）转换梁主要承受上部较大竖向荷载，一般有托墙形式和托柱形式两种情况。托墙梁式转换层梁与托柱梁式转换梁受力原理和性能有着不同之处。

（二）梁式转换层受力特点

常见的梁式转换层主要有框支剪力墙结构（托墙型）和梁托柱转换结构。这两种结构都是通过转换大梁实现竖向构件的转换，在受力性能上有明显的不同。梁托柱转换梁与普通梁类似是受弯构件。同时产生较大的弯距和剪力，轴力相对较小；框支剪力墙中的转换梁不是受弯构件，由于与上部墙体的共同作用，在转换托梁上一定范围墙体内，应力以弓的形式传递,使得转换梁不仅受弯矩及剪力，还承受较大的拉力，是偏心受拉构件。

根据一些实验结果得知，框支剪力墙结构中转换构件与承托上部的剪力墙共同受力，转换层以上的楼层在水平外荷载作用下，各墙肢受力按其等效刚度分配，转换层以下楼层中空间间距大，由于转换层平面内受力较大，楼板有显著变形。框支柱的剪力比在楼板平面内无限刚假定条件下大很多。框支剪力墙转换层框支梁以上剪力墙数量较多，其总体刚度较大，而转换层下方落地剪力墙数量较少，故水平荷载下框支剪力墙转换层上下层剪力发生突变，从而形成了薄弱层，在地震作用下，极易产生变形破坏。

托柱型梁式转换层也是目前为实现垂直转换最常用的一种结构形式。在纯框架结构体系中，由少部分不落地框架和落地框架组成的空间结构，结构中有一些框架柱，并未连续贯通到地下室顶或者基础。转换层将会承担其上部一小部分的框架柱。这种结构形式将在建筑物底部形成大空间，而在上部形成小空间。结构中由于设置了转换层，沿着建筑物高度方向的刚度将会发生变化，但却与框支-剪力墙结构不同，刚度不会产生突变，转换层上层和下层的侧向刚度不会有很大的差异，因此，各楼层在水平地震作用下的层间受剪承载力也相差不大。由于整个结构体系为柔性结构，在传递巨大的地震剪力时，转换层的楼板也不会因此而产生很大的变形，在进行结构整体分析计算时楼板仍可以假设为平面内的刚性楼板。竖向荷载下，转换层中的梁承托上部普通框架柱，其受力机理与普通框架梁跨内承受集中荷载作用时类似。

(三）托柱转换梁与普通框架梁受力区别

（1）在托柱转换梁施加竖直方向集中荷载，转换梁截面里存在较大的剪应力与正应力，导致梁的截面尺寸过大。

（2）托柱转换梁不仅跨度很大，截面尺寸也很大，因此在设计中，梁的竖直方向挠度成为主导因素。转换梁承托着框架柱，框架柱又承托着互相垂直的框架梁，因此，柱顶将受到双向弯矩作用。

（3）理论分析和实践经验表明，被承托的上部结构和转换梁并非简单的承托关系，两者是协同工作的：当梁的截面尺寸保持不变，而其上部数层普通框架梁截面尺寸适当增加时，梁中内力将会变小；在满足承载能力的情况下，适当减小梁的截面尺寸时，与其协同工作的上部结构楼层数将会增多。

(四）框支梁和托柱梁在实际工程应用中的判别

在实际工程中，区分两者的关键是梁承托的上部剪力墙的开洞位置、大小和形状。当上部剪力墙在梁跨中部开较小的洞口或者不开洞，通常被认为是框支梁，该梁与上部墙体协同工作，产生拱的效果。

二、梁式转换层的结构设计要点及注意事项

（一）结构布置

有转换层的结构体系，根据其建筑功能空间要求，竖向及水平构件的合理布置是结构设计的关键，不仅影响工程建设成本，还对受力性能及设计难度产生很大的影响。

（二）平面布置

一般落地剪力墙、框支柱在平面布置时应考虑以下几个因素：

（1）落地纵横墙尽量成组布置，形成筒体形式，有利于提高结构整体性。

（2）落地剪力墙或筒体的洞口宜布置在墙体的中部，保证结构整体的抗扭性能。

（3）转换层所在楼板布置应保持连续，避免错层现象，同时避免在大空间范围设置洞口，保证楼梯间、电梯间处周边的剪力墙围合成筒体。

（4）转换层上部的竖向抗侧力构件（墙、柱）宜直接落在转换层的主要转换构件上。转换柱、转换板严格按照有关要求设置。

（三）竖向布置

由于转换层的存在，形成了底部大空间，这样容易形成下柔上刚的结构体系，在地震作用下，此类型结构的抗震性能很差。须保证底部空间有合适的刚度、强度、延性及抗震性能,尽量强化转换层以下的结构刚度，弱化转换层上部刚度，使转换层上、下部主体结构刚度接近。

（四）楼盖布置

在含转换层结构体系中，为了保证转换层可以将竖向及水平荷载有效地传到落地剪力墙或框支柱上，转换层的楼板应有足够的平面外、平面内的刚度及承载力。

（五）结构计算分析

高层建筑梁式转换层结构相对较复杂，在结构计算分析时应至少采用两个不同的力学模型的三维空间分析软件对整体结构进行分析对比，确保结构计算的数据准确性；同时采用弹性时程分析法进行补充计算。必要时对转换层及上部结构构件进行局部有限元分析，确保力的有效传递，提高建筑物的抗震性能。

（六）注意事项及构造措施

合理布置竖向构件。建筑功能大小与采用竖向构件多少成反比；转换柱和剪力墙的布置要尽量简洁、对称、均匀。

转换层位置要合理适中，结构刚度要满足相关要求。只有转换层合理安全才能实现建筑功能的比较相对自由转换。

结构计算必须多软件验算，并对数据进行对比分析，选择合理工况数据进行设计，确保一定的安全储备。

根据建筑的实际需求对平面设计各构件严格把关，把结构设计的不利因素最小化。

连接竖向构件和水平构件要保证结构整体性，保证传力线路清晰，利于结构分析和计算。实际工程中的落地剪力墙之间的楼板，应避免开大洞，避免楼板有较大的凹入，尽可能使楼板宽带基本均匀。

加强抗震设计，确保各构件及节点抗震性能。为提高梁式转换层的整体安全，对特除构件按要求提高设防等级，严格按照现行各规范、规程构造要求做好各个环节的设计，保证建筑物的整体安全可靠。

结语

总之,转换层结构可采用转换梁、桁架、空腹桁架、箱形结构、斜撑等。梁式转换层的结构是通过剪力墙、转换梁、转换柱这一系列传导力的传递达到转换层的设计目的。梁式转换层的优点是显而易见的。具体设计时应结合建筑功能需求对结构形式的设计要考虑各个方面的综合因素，全面详细制定高层建筑的转换层设计方案，遵循相关的设计规范，在计算上严格把关，平面布局、竖向布置合理恰当做好结构设计每一环节，确保建筑结构的完美、安全，满足多种功能需求。

参考文献

[1]唐兴荣.高层建筑中转换层结构的现状和发展[J].苏州城建环保学院学报2014.

[2]罗柳毅.梁式转换层在高层建筑中的应用[J].广东土木与建筑2012.

[3]谢晓峰.高层建筑转换层结构形式的应用现状及问题.[J].广东土木与建筑2014.