高层建筑梁式转换层结构的设计剖析

2015-08-15武汉理工大设计研究院有限公司湖北武汉430070

江西建材 2015年18期

■贺诚 ■武汉理工大设计研究院有限公司，湖北武汉 430070

转换层结构是结构转换的楼层设置的水平转换构件，转换层结构将整体建筑结构分开，实现上下采取不同的结构形式，下部形成较大的空间结构满足商用刚度较小的框架结构;上部结构形式根据住宅或小型公寓、宾馆等使用功能灵活设置。建筑结构中由于转换层的设置造成沿建筑物高度方向刚度的均匀性受到破坏，导致传力路线曲折、应力集中和变形集中，决定转换层结构的重要性，需要应用合理的设计方法和措施保证转换层结构的安全可靠。

1 梁式转换层结构的受力特点

高层建筑转换层的主要功能是把上部小房间开间竖向结构的荷载传递到下部大开间的竖向结构上，由于竖向结构的上下结构不连续贯通导致竖向构件传力的不直接，转换层上、下楼层的抗侧刚度发生突变，造成整个建筑的结构受力复杂。容易在地震发生时转换层机构出现薄弱层和软弱层，引发建筑结构的倒塌。

2 梁式转换层结构的设计原则

(1)转换层结构构件需要承受上部结构传下来的巨大竖向荷载或悬挂下部结构的多层荷载，因此控制转换层结构设计的主要因素为竖向荷载，需要严格控制结构构件的竖向挠度。

(2)转换层结构根据结构传力和建筑功能的需要，按照相关技术标准和计算结构灵活布置，保证具有足够的刚度。整体刚度不足时，可加大屋面梁、板尺寸和厚度，减小地震可能性损害。

(3)竖直构件是刚度突变的主要来源，根据具体的计算数据降低竖直构件的使用数量，避免竖直构件影响转换效果。需严格按照比例分配，保障内部力度传输的平衡性，发挥转换层力度均衡的优势，有效承担高层建筑的内力。

(4)根据底层入口的扩大需要及过度上、下层柱列的疏密不一，需要把水平转换构建布置在平面周边角筒或柱列上。控制梁式转换层结构设计需要结合高层建筑的基础受力调整强度分配，适宜的强度可以保障梁式转换层的性能，优化转换层在高层建筑中的应用。

(5)转换层的转换构件可采用转换大梁、箱形结构、厚板、桁架、空腹桁架、斜撑等形式，框支柱和落地剪力墙的布置需要按照设计刚度增加墙体的厚度，落地剪力墙的间距不原规程适当加严等，实现对刚度突变的控制。

3 高层建筑梁式转换层结构的设计和构造

3.1 转换层结构中框支柱的设计与构造

建筑单位应用地理信息系统得到建筑所在地区范围的地震发生数据，根据高层建筑的承受地震级别计算出梁式转换层的框支柱级配，根据框支柱的参数基础标准，结合工程实际调整系数。框支柱的截面尺寸由轴压比控制，抗震设计时应大于国家行业标准规定的450MM，并且框支柱的混凝土强度等级要高于C30。框支柱在抗震设计中采用井字复合箍或复合螺旋箍等箍筋形式，控制箍筋直径大于10MM，沿梁全高加密。锚入梁内的钢筋长度保证框支柱在上部墙体范围内的纵向伸入不少于一层，保证余柱钢筋全部锚入梁内或板内。

3.2 转换层结构中框支梁的设计与构造

框支梁的设计决定梁体的稳定性，其截面尺寸由剪压比控制，不宜小于2 倍于其上部剪力墙厚度，不得小于400MM。剪压比控制可以实现内力的限制，保证构建的延性，避免在弹塑性阶段出现脆性破坏。框支梁的跨度对设计参数高度影响较大，取跨度的1/6 为标准数值。框支梁的受力来源主要是高层建筑双层结构的载荷力和传输框支梁的内部受力，通过有限元计算方式可以设计构件的安装布置需要，为建筑安全性提供保障。框支转换梁的构造要求要满足混凝土强度等级高于C30 的要求，偏心受拉的框支梁制作上部纵向钢筋应有1/2 沿梁全长贯通，保证下部纵向钢筋全部直通到柱内。框支梁支座处的箍筋需要特别加密，洞口靠近框支梁端部且梁的受剪承载力达不到要求时，采取措施可以选择增大框支梁洞口连梁刚度或进行框支梁加腋。

3.3 转换层结构中托柱转换梁的设计

托柱转换梁的截面尺寸不应小于承托框架柱在梁宽方向的边长，受剪压比控制要符合在柱两侧各宽出50MM。托柱转换梁为普通受剪、弯构建，可按纯弯构件计算截面承载力。托柱梁所承托的楼层较多时需要对托柱梁上梁柱交接处的混土局部受压承载力进行验算。转换梁荷载集中处，转换梁附加横向钢筋的位置，在满足转换梁截面抗剪承载力的数据要求时可以不配置附加横向钢筋。

3.4 转换层结构中框支梁上剪力墙的设计

转换层的框支梁与上部二到四层的剪力墙共同工作，剪力墙内的剪应力与压应力分布不均匀，靠近框支梁端部的压应力较大，向框支梁跨中部压应力逐渐减小，需要很据剪应力和压应力的计算数值设置配筋的强度。剪力墙在框支梁端部的内力较大，可以在此处开设边门洞，并着重加强该处剪力墙的厚度增加该处剪力墙的强度。

3.5 转换层结构中楼板的设计

转换层楼板承担上部楼层和下部楼层的剪力传递，需要根据剪应力设计楼板的强度和刚度，防止楼板在极大的剪应力作用下发生变形或开裂。转换层楼板的最小截面高度根据国家行业规定不得小于180MM，并需要在板面和板底实现双向配筋，保证钢筋锚固在楼板周围的边梁或墙体内。转换层楼板不应错层及筒体和落地剪力墙处的楼板不能开洞，实现转换层楼板的整体性。根据建筑的使用功能及设计要求必须对楼板进行开洞操作的，需要在洞口的周边和楼板的边缘设置边梁来保证楼板的刚度，要求边梁的宽度大于楼板板厚的2 倍，采用机械焊接钢筋接头。根据转换结构内力的传递性对相邻楼层的楼板需要进行刚度的加强，刚度的加强可以提高建筑所能承受的力度，实现转换层的结构稳定，保持整体建筑的稳定。

4 高层建筑梁式转换层结构的设计要点

(1)梁式转换层的竖向布置需要解决高层建筑侧向方面受力不均衡的状态，避免刚度突变，需要在保持原有剪力墙的数量下削减剪力墙的厚度，实现竖直方向承载力的减轻，达到降低梁式转换层竖向承载力的目的。采用符合行业技术标准的高级配混凝土材料，实现保障结构稳定的目的。控制位于剪力墙内部核心筒的厚度，稳定转换层的结构。

(2)梁式转换层的平面布局设计需要围绕梁式转换层的周边进行，采用堆成的设计方式稳定转换层的重心，控制高层建筑水平方向的位移距离，达到扭转标准、提高高层建筑的扭转能力。加强平面布局的数据和图纸设计，避免设计误差的出现。转换层处于高层建筑结构的加强区，设计要充分考虑地震级配问题，根据实际情况适当的提高等级级别。