梁式转换层结构设计及应用研究

田 晨 旺

(山西省建筑设计研究院，山西 太原 030013)



梁式转换层结构设计及应用研究

田 晨 旺

(山西省建筑设计研究院，山西 太原 030013)

通过对高层建筑中的梁式转换层结构的设计及相关应用进行分析，得到了梁式转换层中的各设计要点，对梁式转换层结构设计中易出现的问题进行了总结分析，并提出相应的处理建议，以确保转换层结构的建筑正常使用及满足相应的抗震要求。

高层建筑，转换层，承重构件，楼板

0 引言

随着城市发展的需要及人民生活水平的逐步提高，城市中的转换层结构越来越多，如建筑下部为框架剪力墙结构，作为商场使用；上部为剪力墙结构，作为住宅楼或酒店使用。这种结构型式的建筑成为商业区建筑中的主流建筑。这种具有转换层的建筑多数为梁式转换层，因此本文对梁式转换层的结构设计及应用进行分析。

1 梁式转换层的应用

1.1 钢骨转换结构的应用

目前的混凝土结构向超高层建筑的方向发展，建筑的层数及总高度越来越高，因此结构下部转换层所承受的荷载也越来越大，此时转换层中的构件尺寸也越来越大，构件尺寸的大小影响着转换层内的层高及使用空间。钢骨混凝土属于建筑行业中的新型建筑材料，其具有高强度、高韧性等特点，较小的构件尺寸与较大的普通钢筋混凝土构件尺寸具有相同的承载力，使用这种材料制作而成的转换层可产生良好的经济效益，同时还可提高转换层的抗震性能及整体刚度。钢骨混凝土在国外的底部大空间结构中应用较大，在我国应用率还较低。目前我国使用钢骨混凝土作为转换层的知名建筑主要有北京国际贸易中心国际旅馆，其中钢骨混凝土转换梁的高度为1 800 mm，转换梁承担上部20层楼的荷载，截至目前该楼处于稳定状态，产生良好的社会效益。

1.2 预应力转换结构的应用

预应力转换梁是在施工现场进行预应力施工，制作而成的预应力转换梁。制作预应力转换梁时施工工序复杂，且施工成本相对较高。使用该方法制作转换梁的成本较高的原因之一是由于目前我国此类相关的施工技术人员相对较少，随着预应力转换梁的普及应用，此施工成本则会相应降低。使用预应力转换梁可减少钢筋用量及混凝土用量，实现较小的转换梁尺寸而具备较高的承载力，但预应力转换梁的柔韧性低于钢骨混凝土转换梁，目前我国的知名建筑中使用预应力转换梁作为转换层的建筑主要为北京市人民检察院大楼。

2 设计原则

2.1 减少竖向承重构件的数量

若转换层上部的竖向承重构件数量较多，而转换层下部的竖向承重构件数量基本不变，经转换层转换后结构上部的竖向承重构件数量还相对较多，此时转换层上下部构件数量相差较大，在转换层位置处产生较大的刚度突变，对结构的整体抗震性能影响较大，因此应适当降低转换层上部结构的竖向承重构件数量。

2.2 对称布置转换层内的竖向承重构件

布置转换层内的柱墙时，应将此类竖向承重构件对称布置，使其达到受力均匀的效果。若有必要在梁中设置柱墙时，应将柱墙布置在梁跨中的位置，避免因上部荷载较大而导致梁挠度变形较大，从而导致上部柱墙的垂直度发生变化，影响柱墙正常的竖向承载力，使柱产生偏压破坏或剪切破坏。

2.3 增强转换层下部结构的刚度

高层建筑中的转换层结构，以转换层为分界线其刚度发生较大变化，而当转换层下部结构的刚度较大时，下部的承载能力及抵抗变形能力增强，此时结构的抗震性能也越好。增强转换层下部结构的刚度，相对弱化上部结构的刚度，从而达到转换层上部结构的刚度及相应的变形相一致，增强建筑整体的抗震性能。通常增强转换层下部结构的刚度的方法主要有：提高混凝土强度等级，增加混凝土构件的截面尺寸，增加柱墙数量等。

增加刚度时，若采用的是增加柱墙数量方法，设计时应将柱墙均匀布开，使结构达到刚度均匀，且使建筑的重心与刚度的中心基本保持一致，以免两者差距较大而导致地震来临时结构产生较大的扭转变形；若采用的是增大构件截面尺寸的方法，则会增大转换层下部结构的整体刚度，且影响下部结构的空间使用。当地震来临时由于上下刚度变化较大，从而导致下部结构承受的地震荷载更大，不利于建筑整体结构的抗震性能，因此在设计时应根据建筑物所在的地理位置及特点进行相应的设计。

2.4 确保转换层的刚度

转换层作为建筑物中的刚度及荷载传递的转换位置，该位置的刚度大小影响着整个建筑的正常、安全使用。因此在设计时必须确保转换层的梁具备较大的刚度，尤其是梁竖向方向的刚度，通常情况下梁高度方向的刚度需超过梁沿跨度方向的12%，此时转换层的梁才能将上部结构中的竖向荷载及横向荷载向下部结构的柱墙中传递。

2.5 转换层的位置

设计转换层的位置时，不宜将转换层的位置定于较高楼层，当布置的较高时，不利于转换层的侧向刚度和抗侧力，极不利于结构的抗震。因此在设计时，将转换层位置布置的相对较低，且将结构整体的刚度由下而上逐渐减小，提高转换层的抗剪刚度及抗弯曲刚度，最大程度的降低结构的位移角，减小层间内力突变。

3 转换梁的计算

对转换梁进行设计计算时，先通过计算转换层上部结构的荷载，再将荷载通过柱墙传递至转换梁中，之后再将上部结构中的水平荷载进行累计计算，最终将水平荷载也传递至转换梁中。根据荷载大小初步计算转换梁的尺寸，最后根据结构所需刚度及承载力强度对转换梁的尺寸进行调整。设计完成后对结构进行三维建模分析，由于是注重对于转换梁的建模计算分析，当所设计的转换梁承载力及其他性能满足多种不同有限元模拟软件的计算时，方可进行下一步工作。

结构整体及转换梁计算完成后，对转换层构件的平面局部应力进行计算。在进行验算时，由于转换层上下层的柱墙仅通过转换梁进行连接，当柱与墙的连接方式出现轻微的不当时，计算时极易产生较大的误差，从而影响施工后结构的正常受力。对空间结构进行建模分析时，以梁柱作为单元进行分析；对底框—剪力墙结构进行建模分析时，以墙作为单元进行分析。

4 转换层中构件的相关计算

4.1 转换柱的计算

在以转换梁为转换结构的结构形式中，需对转换柱的轴压比进行控制，调整转换柱的轴压比，使其具有良好的延性及抗震性能。当所设计的建筑结构抗震等级为一级时，需将转换柱的轴压比控制在0.6以下；当所设计的建筑结构抗震等级为二级时，需将转换柱的轴压比控制在0.7以下。

4.2 楼板的计算

楼板作为一般的竖向受力构件，而转换层中的楼板作为主要竖向受力构件。在转换层中，楼板作为竖向受力构件，同时也作为影响结构整体刚度构件，将转换层中的楼板厚度增加，可提高楼板的整体刚度，同时还可使上部结构向下传递的剪力实现重分配。且在设计时尽量避免在转换层中的楼板中开洞，若必须开洞时须在洞口四周设置暗梁。若需在底框结构中设置电梯时，需将电梯四周设置剪力墙，以增加结构的侧向抗剪承载力，确保结构安全。

4.3 转换梁的计算

在对转换梁进行计算时，需对转换梁的各部位受力情况进行详细计算，避免因集中荷载较大而在梁端发生破坏。而在通常情况下，由于所有竖向荷载均通过梁身最终将荷载传递至梁端处，最终梁端首先发生破坏，因此对转换梁进行设计时，可增大梁端尺寸，避免因梁端承载不足而提前产生破坏，从而影响建筑的正常使用功能。

5 结语

本文通过对高层混凝土结构中的转换层结构尤其是梁式转换层的设计原理及其相关应用进行简要分析，得到在进行梁式转换层设计时，需进行全面的考虑及相应的多次建模验算分析，提高转换层的强度及刚度的结论。同时确保所设计的建筑自下而上刚度变化为先刚再柔的原则，避免所设计的建筑在转换层位置处出现刚度突变，提高所设计建筑的抗震性能及确保建筑的正常刚度变化。施工前，若设计人员发现结构施工图中存在瑕疵或相应的偏差时，应通知施工单位对其进行相应变更，避免产生安全隐患，确保人们的生命财产安全及建筑的正常使用。

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Study on the design and application of girder transfer floor structure

Tian Chenwang

(TheInstituteofShanxiArchitecturalDesignandResearch,Taiyuan030013,China)

Through the analysis of the beam of high-rise building conversion layer structure design and application, get the beam type conversion layer in the main points of design of beam type conversion layer is prone to problems in the structure design were analyzed and put forward the corresponding proposal, to ensure the normal use of the building structure conversion layer and meet the corresponding seismic requirements.

high-rise building, transfer floor, lood-carryging memker, floor

1009-6825(2017)17-0053-02

2017-03-16

田晨旺(1986- )，男，助理工程师

TU318

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