高层建筑梁式转换结构优化设计研究

马宏良

摘 要：随着我国社会经济水平的不断发展，我国城市建设速度也在不断加快。特别是我国高层建筑的规模的不断增大，转换层结构得到十分广泛的应用，而梁式转换层结构作为高层建筑中的一个常用结构形式，其设计的可靠性和安全性具有十分重要的意义。本文结合实际工程实例，提出了建筑梁式转换结构的最优设计方案与改进措施，在满足建筑结构功能需求的同时，也极大的降低了工程建设成本，可为同类型的施工及研究提供重要的借鉴意义。

关键词：高层建筑；梁式转换结构；最优设计；改进措施；

1 工程概况

某高层建筑由2塔楼和裙楼构成，地下1层，地上12层。1-3层作商业房，4层为文化娱乐场所，转换层设在第4层，层高5.7m；5层为空中花园。由地质勘查资料得知，现场地质结构稳定，为抗震有利区，本工程6度设防，设计风压值0.70kN/m2。

2 结构方案及布置

2.1结构设计难点分析

由于同一层的户型差异较大，为了最大限度地增加有效建筑面积，本建筑工程采用短肢剪力墙结构。底部4层采用框支剪力墙结构体系。由于该类结构缺失抗震功能，故在总体设计过程中必须控制转换频率，简化传力途径。另外，在施工中还需要解决的问题有：一是为确保建筑结构在竖向方向的刚度保持均匀，需要最大限度地设置上下贯通构件。二是需对裙楼柱网进行科学设置，确保凌空剪力墙可架在转换层托梁之上。

2.2抗震等级的确定

本建筑以第4层转换层为界，以上为短肢剪力墙结构，以下为框肢剪力墙结构，所以其抗震等级也需要针对不同部位的结构而单独设计。由于工程区抗震烈度为6度，且转换层属于高位转换，根据相关规定，将框支框架及剪力墙底部加强部位的等级设定为二级，而非剪力墙底部加强部位的等级设为四级。

2.3 结构竖向布置

一般而言，高层建筑侧向刚度从上到下，均匀递增，差异性较明显，但设有转换层结构尤其是高位转换结构的高层建筑并非如此。此类建筑的转换层侧向刚度上下基本一致，比例宜接近于1.0[3]。设计中要注意加强下部结构，消弱上部结构，但要防止建筑出现薄弱环节，还还需要从以下几个方面的做好加强工作：

（1）對于具备落地条件的剪力墙，就好尽量使其落地，甚至可考虑于建筑底端增设一些剪力墙，加大底部支撑力度。

（2）适当加强底部结构，弱化上部结构，以转换层为界，下部设置厚350mm的剪力墙，上部设置厚200mm的短肢剪力墙。

2.4 结构平面布局

因本工程带有转换层，结构布置不对称，经过反复地核算，将质量中心和刚度中心偏差控制在1m之内，效果较好。除了中央核心筒，其他的剪力墙布置都达到分散、均匀的设计要求。

3 结构的计算与分析

利用SATWE软件采用三维壳元有限元模型进行结构的计算和分析，主要处理的数据为扭转耦联时的振动周期、转角、平动系数及扭转系数，具体结果见表1、2所示：

由以上计算结果可以看出其相关数值在都处于规范设定的范围之内，这显示建筑结构布置较为合理。此外，要针对受力较为复杂如转换梁部位分析其应力情况，并相应地做好配筋设计校核。

4 转换结构设计与改进

4.1框支柱

框支柱截面尺寸的设计主要是采用控制轴压比来满足其剪压比的方案。本工程设置一级抗震的框支柱，轴压比≤0.6，对于一些截面偏大的短柱，轴压比≤0.55。为充分保证建筑安全性，将柱端剪力和弯矩都乘上适当的扩大系数，每层框支柱承受剪力大小取的基底剪力值的30%。另外，配箍率对柱截面延性也有重要的影响，一般应控制在1.5%以上；箍筋要确保在Φ10@100以上，采用全长加密。

4.2 框支梁

框支梁截面尺寸主要由剪压比控制[4～5]，宽度不小于其墙上厚度的2倍，且不小于400mm， 高度不应小于计算跨度的1/6。本工程框支梁宽度为700～800mm。由于框支梁受荷载较大且受力情况复杂，，因而在设计时应留有较多的安全裕度，一级抗震等级的框支梁纵筋配筋率不得小于0.5%.

4.3 转换层楼板

框支剪力墙结构以转换层为分界，内力在上下两部分的分布规律各不相同：在上部楼层，外荷载产生的水平力大致按各片剪力墙的等效刚度呈比例分布； 而在下部楼层，由于框支柱与落地剪力墙间的刚度差异，水平剪力主要集中在落地剪力墙上，即在转换层处的荷载分配发生突变。由于转换层楼板承担着上下部分剪力重分配的任务， 所以转换层楼板必须保证有足够的刚度。

5 结束语

在建筑设计前就要对整个体系有一个清楚的把握，分析设计方案的弊端，对结构薄弱的环节，要有一个清楚的认识。框支剪力墙结构体系是不利于抗震的，因此，可通过加强转换层等关键部位的设计采加以改善。如果为高位转化层，即3层以上，就必须对底部框支层刚度采取加强措施，避免底部发生移动突变，如果转换梁和上部剪力墙共同工作处的支座约束较强，对于梁抬柱或抬小墙肢处的转换梁可以设计为全跨偏心受压构件，以加强整体的抗压、抗剪性能。

参考文献

[1]李春富.浅析高层建筑梁式转换层的设计[J].中国科技信息. 2013，（12）.

[2]刘喜平.转换梁对高层框剪结构受力性能的影响[J].低温建筑技术. 2012，（02）.