结构设计中梁式转换层设计要点<br/>——怡福苑A1幢住宅结构设计体会

结构设计中梁式转换层设计要点
——怡福苑A1幢住宅结构设计体会

2015-12-25赵京江

建筑设计管理 2015年6期

关键词：梁式剪力墙弯矩

赵京江

（广东鸿宇建筑与工程设计顾问有限公司，广东东莞 523080）

结构设计中梁式转换层设计要点
——怡福苑A1幢住宅结构设计体会

赵京江

（广东鸿宇建筑与工程设计顾问有限公司，广东东莞 523080）

随着社会以及科技的进步，高层建筑功能不断向着多样性和空间多变性等综合性方向发展，为争取建筑有较大的空间和提供较大的出入口，结构采用转换层是不可避免的，也是当今高层建筑中一个主要的趋向，其中梁式转换结构的应用较为普遍。本文通过对怡福苑A1幢住宅结构设计为实例，提出在建筑结构设计中，梁式转换层应注意的问题和相应的构造措施。

转换层；梁式转换；结构设计

0 引言

本工程位于广东恩平市，设计于2014年5月，是一栋集商业与住宅为一体的商住楼，高53.3 m，地下1层，地上16层，总建筑面积11 593 m2。其中地下1层为大底盘地下停车库，层高5.1 m，地上1、2层为裙楼，作为商业用途，层高分别为6.5 m和4.5 m，长52.9 m，宽31 m，结构布置如图1；3层以上作为住宅，标准层层高3 m，最大长33.6 m，宽27.3 m，结构布置如图2。建筑功能要求商铺布置方正规则，住宅部分墙柱无法上下贯通，落到地面，因此，在结构设计时，商业与住宅两者的转换成为重点考虑问题。以下结合转换层相关特点与本工程设计过程处理措施作几点体会，以资借鉴。

1 转换层特点与设计原则

1.1 转换层特点

在高层建筑结构中，转换层在上下部结构中扮演着至关重要的角色，是一个建筑物中不同结构形式相连接的中转站，它既是上部结构的“空中基础”，又是下部结构的封顶，在整个建筑结构体系中起着转换传递作用：

1）通过结构转换层，上下两层柱网的排列或剪力墙的不同布置得到有效的过渡，从而获得可观的楼层空间，进一步满足当代建筑对空间高利用率的功能要求。

图1 1和2层结构布置图

图2 标准层结构布置图

2）通过结构转换层，上下部竖向不连续构件的受力荷载经过结构转换层的转换，传递到承重相对较少的构件上。

1.2 设计原则

经大量研究说明，带转换层结构是不规则结构，因其传力不直接而被定义为受力复杂结构。在地震作用下，结构的软弱层和薄弱层多发生在转换层中，不利于抗震。因此，对设置转换层高层建筑，除满足建筑及其他专业功能要求以外，还应遵循以下几点原则：

1）避免（减少）转换。在满足建筑功能情况下，尽量避免布置转换层，如必需布置转换层，主体上下部竖向构件尽可能多的布置成上下连续贯通，直接落地。尤其是在楼梯井或电梯井等存在中心筒结构中，尽可能把中心筒部分构件设置成上下连续贯通。

2）力的传递直接。在布置转换层的主体竖向结构中，必须注意水平和竖向转换结构在力的传递路径上，尽可能做到传递直接，少采用受力复杂的多级转换，更应避免设置传力不明确、质量大、耗材多、抗震不利的厚板转换。

3）弱化上部、强化下部。在结构调整时，要使转换层下部大空间的结构能有足够的强度、刚度、延性以及抵抗地震的能力，应尽可能弱化转换层上部主体结构刚度，强化转换层下部主体结构刚度，使上下部主体的结构刚度及其变形特性趋于接近。

4）优选转换结构。在进行结构抗震设计时，介于建筑功能需要，在设置高位转换时，转换结构还宜优先选取不致引起边柱或框支柱柱顶的弯矩过大、柱的剪力过大的结构形式，如带支撑体系的桁架结构和大范围扁梁结构等，在计算分析时，为避免发生脆性破坏，尚应满足其刚度和强度的要求。

5）计算符合实际。结构计算时，务必把转换结构列为整体结构的一个重要组成部分，采用受力变形特征符合实际的计算模型，模拟三维空间，进行正确的整体结构分析和计算。

6）减少刚心与质心距离。在满足建筑使用功能前提下，结构竖向构件布置应尽量达到对称、均匀，减少刚心与质心距离。

2 上部结构的设计与计算

在现行高层建筑中，结构的转换层形式常见有梁式转换、桁架式转换、箱型转换、巨型框架转换和厚板转换。其中梁式转换层结构的传力形式主要为墙（柱）→转换梁→柱（墙），结构设计较为容易，具有传力简捷明确、构造简单、施工方便等优点。经过初步分析，本工程为钢筋混凝土框剪结构体系，转换形式钢筋混凝土梁式转换（梁上托柱），丙类建筑。根据文献[4]所提供的信息，初步定义转换梁截面尺寸为1 200 mm×1 200 mm，本工程内力计算采用广厦建筑结构CAD17.0版GSSAP程序进行。

2.1 结构基本信息

结构嵌固端：地下室底板所有楼层强制采用刚性楼板假定：实际；

地震设防烈度：6度计算地震作用的结构阻尼比：0.05；

场地类别：Ⅱ类抗震等级：转换梁三级，其他四级；

考虑偶然偏心：考虑计算扭转的地震方向：双向；

风荷的基本风压：0.60 kN/m2地面粗糙度：B类；

风作用方向：0，90，180，270连梁刚度折减系数：0.6；

中梁（H＜800 mm）刚度放大系数1.80；

中梁（H≥800 mm）刚度放大系数：1.30；

梁跨中弯矩放大系数：1.25梁扭矩折减系数：0.4；

恒荷载分项系数：1.2活荷载分项系数：1.4；

水平地震分项系数：1.3风荷载分项系数：1.4；

混凝土强度等级：地下室和1～5层C35；6～10层C30；其他均为C25。

2.2 计算结果与分析处理

2.2.1 计算结果

据广厦建筑结构CAD试算结果发现，超限警告主要有：

1）局部结构层侧向刚度小于相邻上一层的70%。

2）局部结构层层间位移大于该楼层两端平均值1.2倍。

3）扭转第1周期/平动第1周期大于90%。

4）转换梁超筋，抗剪能力不足。

2.2.2 原因分析

通过3.2.1的计算结果可知结构刚度不满足承受外力（地震作用和风作用）的能力，转换梁受载能力不满足设计要求，主要原因：

1）从图2可以看出，建筑布置为典型的一梯四户，结构平面中部设置电梯和楼梯等公共空间，形成南北两端开间大，中间小布局，结构最大长度与最小长度比值为4，根据现行（GB 50011-2010）《建筑抗震设计规范》可定义为凹凸不规则，削弱了结构的整体刚度。

2）地下室顶板设置转换大梁，使该楼层竖向构件有别于地下室，刚度发生突变，设置转换楼层刚度与相邻上一层刚度比较突变明显。

3）结构平面布置中，北边剪力墙布置相对集中，且建筑大户型均布置在北边，结构南北受荷不均匀，导致结构刚心和质心偏心距增大。

4）转换梁主要承受上部楼层经框架柱传递竖向荷载，集中荷载较大，一般情况下，转换梁、柱节点中的不平衡弯矩通过相交于该节点的梁、柱刚度进行分配，转换梁两端柱子承受的轴力和弯矩较大，剪力较小，而梁两端和跨中的弯矩、剪力均很大。本工程中初步计算结果中，两端柱子轴力6 328 kN，柱根弯矩3 056 kN·m，梁端弯矩2 819 kN·m，跨中弯矩5 055 kN·m，梁剪力2 450 kN，相对一般梁来说，转换所产生不利非常明显。

2.2.3 处理措施

经过以上分析，结合2.2设计原则，对剪力墙和梁柱作了整体调整，主要调整：

1）1~5层外立面框架梁由200×500加大至250×600；楼梯和电梯部分剪力墙厚度由200加厚至250，梁由200×500加大至250×700；在不影响建筑使用功能的情况下，尽量加大连梁的高度，使纵向刚度有所提高。同时，由于上部几层框架梁和转换梁的协同作用，共同分担由上部结构传递下来的外部荷载，从而减小转换梁的内力，使结构受力较为均匀合理。

2）北边部分剪力墙作适当连梁开洞处理，加长南边剪力墙的长度，整个结构x方向剪力墙也做了适当调整，使结构的刚心和质心偏心距减少，加强结构抗扭刚度，扭转变形减少。同时，使各层的层间位移角得到了有利的调整。

3）地下室柱子和梁截面作了适当调整。调整至转换层上下部主体结构的刚度及变形特性尽可能相同，有助于提高整体结构抗震能力。

通过以上调整，总体结构计算满足相关规范要求，最终转换梁确定截面尺寸为1 200×1 250，相对初步定义相差不大，满足建筑地下室净空要求，减少了地下室开挖深度，得到一定经济效益。

除以上的计算调整外，考虑到转换梁的不利特性，结构构造上采取一定措施，转换梁四周板厚为160，这些板配筋均为双层双向拉通布置，箍筋由计算要求[10@100加强至[12@100，各层对于没有双向约束剪力墙上设置暗梁及暗柱，形成剪力墙周边的约束构件。考虑到转换梁承受上部集中荷载较大，还对转换梁与柱交接处的混凝土局部受压承载力进行验算，保证结构安全可靠。