探究梁式转换层结构设计在高层建筑工程中的应用

闵姗

（武汉三叶建筑设计有限公司　湖北　武汉　430000）

探究梁式转换层结构设计在高层建筑工程中的应用

闵姗

（武汉三叶建筑设计有限公司湖北武汉430000）

随着经济的发展，高层建筑层出不群，而且越建越高、体型越来越复杂多变、功能也越趋于多样化，带转换层的高层建筑就是其中的典型代表。梁式转换层的设计直接关系到高层建筑的稳定性，高层建筑必须明确梁式转换层的结构设计，才可满足高层建筑的需求，避免产生不利点，可见在高层建筑设计中梁式转换层的结构设计是尤为重要的。本文通过对高层建筑工程中梁式转换层结构设计的研究，探讨其在高层施工中的重要应用。

高层建筑工程；梁式转换层；结构设计；应用

1　引言

随着现代化城市的建设，越来越多的高层建筑向着多功能化、工程高技化、功能生态化的方向发展，由于要满足建筑物各个部分不同的使用功能和要求，对建筑物的结构形式和布置也就提出了不同的要求。因此，为了能够更好的实现不同功能的转换，需要在建筑物结构设计中设置转换层。目前，在建筑结构设计中应用最广泛的就是设计、计算以及施工都比较简单的梁式转换层结构。一方面，梁式转换具有传力路径清晰快捷，工作可靠，构造简单，施工方便等优点，是目前国内应用最广的转换层结构型式；另一方面，梁式转换层结构促使建筑工程合理应用高层建筑的空间结构，体现高层建筑灵活的设计方式，而且有利于均衡受力，推进高层建筑安全、稳定的发展，实现高层建筑的多功能化，满足人们的生活需求。例如在建筑的下部为餐馆、商场等、中部为办公楼、上部为住宅楼，从而超越了传统建筑使用功能的单一性。而在工程设计和实际施工中，梁式转换层常兼作设备层，转换梁腹部要开设洞口以便设备管道的通过，得到了广泛的采用和认可，它可以较好地解决高层建筑中上下部结构纵向不连续的问题。

2　梁式转换层结构的结构形式和受力机理分析

2.1梁式结构的结构形式

据我们所知，在高层建筑的结构中，一般结构下部的受力比结构上部的受力要大，正常来说，进行高层建筑设计时应该采用下部结构增加墙体和柱网，上部结构减少墙体和柱网的形式来让高层建筑物下部结构的刚度大于上部结构的刚度，而这却不符合现实中的建筑情况，在现实生活中，下部空间比较大，上部空间比较小更符合建筑物的使用功能，这就需要我们寻找新的设计方法。梁式转换层结构也被称为是梁式框支剪力墙结构，它是利用下部的转换大梁，将上部剪力墙落在框支梁上，再由框支柱支撑框支梁，形成一种独特的支撑体系，达到转换建筑功能结构的目的。由于现代的高层建筑竖向结构自上而下是逐渐减少的，所以在此竖向结构转变处，必须设置转换构件，设置转换的楼层就称为转换层，这种建筑的特点就是沿建筑竖向使用空间逐渐变小，这与传统建筑的构造要求不同。转换层结构的常用形式有梁式、箱型、桁架式、厚板式以及搭接柱式转换层等。由于梁式转换层的设计和施工均较为简单，传力直接、明确，计算相对简单，施工简易，并且还有良好的经济效果，因此是目前建筑工程中应用最为广泛的，其中梁式转换层的建筑约占75%。在实际设计过程中，可以根据建筑物转换功能的具体要求以及梁式转换结构根据，将转换层分为如图1所示的几种不同结构形式。

图1　梁式转换层的结构形式

《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》中为了保证转换梁结构的可靠性和整体的刚度，对于梁最小高度和最小宽度的转换进行了一些限制，其中规定框支梁的截面宽度不应该比相应方向上所对应的框支柱的宽度大，不应该比两倍的上部墙体截面厚度或400mm小，如果梁上边需要托柱，那么框支梁的截面宽度还应该比梁宽方向的柱的截面大。需要进行抗震设计的转换梁的梁高应该大于等于梁跨度的1/6，对于不需要进行抗震设计的也要大于等于跨度的1/8。

2.2梁式结构受力机理分析

墙-梁-柱或墙-梁-墙为梁式转换层结构的传力路径，这样的传力途径有着传力直接、计算方便的优点。剪力墙与转换大梁的相对刚度、转换大梁与下部支撑的相对刚度、上部剪力墙的刚度都对转换梁的受力有着非常大的影响。据我们所知，对于跨度小于12m的一般结构的转换梁来说，进行上部墙体的分析时，不管是考虑三层、四层还是五层，对于设计内力的差异也不会超过5%，所以我们只采用三层进行分析计算就可以了。只要是具有一定长度的墙体，不管转换大梁上部墙体是什么样的形式，在进行分析计算时，相应的弯矩肯定会比没有上部墙体的小，而且由于上部墙体的传力，转换大梁的跨中也会出现相应的拉力。

3　梁式转换层结构设计在高层建筑工程中的应用

高层建筑中梁式转换层的设置造成建筑物竖向刚度的突变，由框支主梁承托转换次梁及次梁上的剪刀墙，其传力途径多次转换，受力复杂。因此在进行高层建筑梁式转换层设计的时应该做到具体分析。

3.1设计案例

本工程为武汉某商住合一的高层建筑，建筑高度为46.7m，地上部分15层，一、二层为商业用房，三至十五层为住宅，地下室层高4.5m，二层商业用房部分为底层层高4.5m，二层层高4.5m，住宅部分层高为2.9m。由于不同的用途需要不同的空间组合形式，因此除了主体中间部分布置成落地剪力墙核心筒，其他部分均不能采用一种结构体系。必须在二层顶采用结构转换的方法过渡为另一种结构形式。

本工程所处地区地震设防烈度为Ⅵ度，结构底部加强区剪力墙抗震等级为二级，非底部加强区剪力墙抗震等级为三级，框支框架抗震等级为二级。

3.2普通梁的截面设计

在实际工程中，普通梁截面可以直接按照像TBSATAT等高层建筑结构计算分析程序在算出转换量的内力结果之后进行直接计算。

3.3偏心受拉构件的设计

对于偏心受拉构件可根据《高层建筑混凝土结构技术规程》和混凝土结构相关规范的相关规定对偏心受压构件的框架梁计算进行相关的计算。

3.4对于深梁截面的设计

在当今的建筑工程中，转换梁的高跨比为在普通梁和深梁之间为h/l=1/8～1/6的梁，其中不管是在受力上还是在破坏形态上更为接近于深梁的要为框架转换梁。框架转换梁在上部墙体满跨或者是基本满跨的时候，上部墙体会和框架转换梁一同参与工作，此时的受力特点就会更接近于倒T型的深梁。此时框架转换梁的跨中受轴向拉力作用，不能按照普通梁那样计算，因为防止纵筋配筋量偏少，降低承载力也不能按照偏心受拉构件进行计算，只能按照深梁进行计算。

3.5对于应力截面的设计

在实际工程中用应力和应力分布规律直接进行截面配筋计算会方便很多，但是必须先进行相应的假设：①假设混凝土没有抗拉作用，只有钢筋承担拉力。②钢筋强度已经达到其抗拉强度设计值，混凝土的抗压强度已达到轴心抗压强度设计值。

3.6关于转换梁截面的设计

转换梁截面的设计包括托柱形式转换梁设计和托墙形式转换梁设计。①对于托柱式转换梁要根据上部结构的不同进行不同的设计，像上部为普通框架的转换梁，一般情况下会按照与其受力相似的普通梁计算，而上部为斜杆框架时，就按与其受力相似的偏心受拉构件进行计算。②对于托墙式转换梁截面也要根据上部墙体的不同进行不同的设计，像上部为满跨且不开洞的墙体时，应该按照与其受力相似的深梁截面设计方法进行计算，根据计算结果沿着全梁高度适度配置钢筋，且底部钢筋应该全部深入支座而不应有截断或突起。如果上部为小墙肢时，可以按照普通梁的截面设计方法进行相应计算。钢筋的布置也可按照普通梁进行。

3.7关于框支柱的的设计

一般情况下，施工中会按照框支柱的轴压比进行框架截面尺寸的确定。而需要考虑地震问题的情况需要乘以放大系数以作出相应的调整后再进行配筋。进行地震组合设计时，一级框架支柱乘以1.5的放大系数，二级的乘以1.25。对于进行抗震设计的剪力值也有相关的规定，两层或两层以下的框支层，十根以下的框架柱，所取的剪力值每根不可少于基底剪力的2%，十根以上时不可少于基底剪力的20%。三层或者三层以上，十根以下框支柱时，不可少与基底剪力的3%，十根以上时，不可少与基底剪力的30%。需要注意的是，对于地震作用下的内力，只进行弯矩和剪力的调整，轴力不作调整。

3.8转换层的结构设计

底部带转换层结构，转换层上部的部分竖向构件不能直接连续贯通落地，因此，必须设置安全可靠的转换构件，转换层结构布置平面如图2所示。

图2　转换层结构布置图

4　结语

目前，在城市建筑飞速发展的过程中，高层建筑数量越来越多，其中还有很大一部分是属于多功能高层建筑，这些建筑结构复杂，不同功能区对建筑空间的需求也不一样，转换层的出现使现代的高层建筑能够实现多样化。而且，在高层建筑转化层的设计过程中，梁式转换层的应用是最为广泛的，通过其转换实现现代化建筑更多的功能化需求，推动建筑的迅速发展。

[1]刘大海.高层建筑结构方案优选[J].中国建筑工业出版社，2013（01）：8～ 12.

[2]梁炯丰.高层建筑转换层结构的概况和发展[J].山西建筑，2013（01）：63～68.

[3]傅学怡.带转换层高层建筑结构设计建议[J].建筑结构学报，2012（12）：24～36.

[4]黄志勇.论某高层建筑梁式转换层结构设计[J].广东科技，2014（06）：90～92.

TU973.3

A

1673-0038（2015）23-0012-02

2015-5-20