探索超限高层建筑主次梁转换层结构的设计

马鑫 陆俊虎

前言

当前，超限高层建筑已经成为城市综合实力的象征。因城市进程不断加快，城市人口不断增多，城市可利用土地越发稀少，为此，建筑逐渐向空中发展，以此满来足不断增多的人口需求，因此，超限高层建筑逐渐成为城市建设重点[1]。在超限高层建筑设计中，因超限问题，工程结构较普通建筑更复杂，对此，在工程设计中，设计人员需要考虑各个方面，严谨分析结构各部位受力情况，研究相关性能参数的选取问题，保障建筑结构设计的安全性、可靠性，为保证建筑工程的安全做充分的准备。

1 主次梁转换层结构的概念与特点

一般来讲，主次梁转换层结构是超限高层建筑在使用功能上上下部结构差异性较大，楼层上下部的结构存在明显差异，需通过梁进行转换设计，满足上下层各自的使用功能。在主次梁转换层结构中，依照结构功能的差异，可将其分为以下几种类型：①上层与下层结构构件转换。该类型转换层多用于剪力墙结构、框架-剪力墙结构中，通过这种转换，将上下部竖向构件调整，以此创造一个较大的内部空间。②转换层上层与下层的构件位置、轴线改变。该种模式的应用，上下部结构形式不变，但是，能够扩大下层柱间距，形成大柱网等。就是说，在上部楼层应用此种结构转换模式，可以改变建筑工程结构构件位置，将柱网轴线与上部楼层轴线错开。

在主次梁转换结构中，上部结构的巨大竖向荷载，直接为转换结构构件带来较大应力。对此，在结构转换构件的设计中，设计人员应重视竖向荷载带来的应力，以此保障工程整体质量。通常情况下，转换结构构件的跨度大于上部结构跨度的数倍，对此，设计人员应严格控制结构构件的竖向挠度，保障工程设计的质量，另外，在转换层结构施工中，连续施工的强度较大，且施工过程较为复杂、难度较大，对此，施工企业应在前期加强培训，提高施工人员专业水平与素养，使其规范施工。另外，在超限高层建筑中，建筑结构中设置了转换层，影响了建筑工程的均匀性，力的传递的转变，使得转换层结构设计与工程普通结构的设计存在差异。

2 主次梁转换层结构的选型与结构布置

2.1 框架-剪力墙结构

在超限高层建筑设计中，因转换层对空间的需求，设计人员可直接采用框架-剪力墙结构。在建筑中层采用剪力墙结构过渡，使高楼层的内力传递至转换层。因此，在超限高层主次梁转换结构设计中，框架剪力墙结构最为适当。另外，在主次梁转换层结构设计中，若采用其他转换形式，传力路线质量大，受力复杂，转换层附近的构件受到影响，应力集中存在问题，并且，工程造价也会相应增加。对此，在一般超限高层建筑设计中，多采用框架-剪力墙结构，在采用梁转换过程中，多采用主次梁转换。

2.2 转换梁结构设计

在超限高层建筑中，采用主次梁转换结构，具有优势较多，如：在施工过程中，相对于其他结构施工，施工过程明显简单、受力明确。在设计施工中，开设的洞口多是转换梁受力最小部位，直接满足了建筑工程管线布设，提高了建筑工程使用。另外，在转换梁结构设计中，应具体工程具体设计，有效保障工程的稳定性，提高建筑工程的质量与安全。

3 主次梁转换在某超限高层工程建筑中的应用概况

在某建筑工程中，预计总建筑面积为125458m2，其中，地上工程面积为112521m2，地下工程面积为12952m2。依照规划局与开发商的共同要求，此次建筑工程以混凝土框架剪力墙结构为主，楼层高125m，超过建筑规定，塔楼立面为不规则曲面，凹凸不规则，建筑整体重心、形心偏移，在竖向荷载作用下，有倾覆趋势。塔楼平面为花生形状，核心筒为狭长形，长宽比为3.3：1，结构X、Y方向的刚度相差较大，抗扭刚度不高。在此项工程建筑中，共包含了地下两层与地上35层建筑，地下两层主要为备用房与车库，第一层是商场，二层、三层为办公楼，第四层主要为会所，上层均为住宅层。为满足底部四层的使用空间，1到4层采用V形斜柱，平面内倾斜角为17°，四层之上采用正常建筑，对此，为提高工程整体质量，在第四层设置主次梁转换结构。

4 工程结构具体分析

在本次建筑工程中，主次梁转换结构设置在第四层，主次梁转换层受力明确，施工简单。主次梁转换层高为5.7m，主次梁最大截面为1300m×2800mm，其中，转换主梁截面为800mm×2500mm，转换次梁截面为 600mm×2200mm，800mm×2200mm，转换层板厚 200mmm，转换层下层板厚度为150mm，转换梁需要承担上部剪力墙的力，混凝土等级要求较高，为 C45。

因本次建筑工程存在不规则扭转、V型柱、高位转换、楼层较高等超限情况，对工程进行超限专项审查后，相关人员将工程抗震性能的目标定位C级，并且，主次梁转换层厚度应达到工程规定厚度。在抗震设计中，地震加速度值0.1g，工程要求应重现100年基本风压值，地面粗糙度至少达到B类，建筑体形系数应达到1.4。在超限高层建筑设计中，设计人员可利用PMSAP来分析梁板应力，以此设计结构自振周期、剪重比等相关参数。

在高层建筑施工中，下部楼层的侧向刚度应大于上部楼层，否则，下部楼层将出现变形，并形成薄弱层，为工程带来隐患，为避免该类型隐患出现，国家在《高层建筑混凝土结构技术规程》中明确规定，下部楼层的侧向刚度不小于上部楼层的70%，或者下部楼层的侧向刚度不小于其上相邻三层楼层间侧向刚度的80%。在本案例工程的转换层结构设计中，设计人员应注意，四楼转换层上一层的剪力墙厚度至在200～300mm之间，混凝土强度等级达到C40；对于主次梁转换层及以下工程结构，剪力墙的厚度应高于700mm，混凝土等级应达到C60，才能保障工程整体质量与寿命。

另外，《高层建筑混凝土结构技术规程》中明文规定，当底部空间层数大于1层时，转换层上下部结构的等效侧向刚度（e）比宜接近于1，非抗震时期，e≤2，抗震时期，e≤1.25。在该项工程建设中，主次梁转换层与上部结构的等效侧向刚度比e在X方向为0.9031，Y向的e为0.9124，符合《高规》中规定。

5 超限高层建筑主次梁转换层结构设计的关键问题

在本次工程的转换层设计中，设计人员严格遵守我国在抗震设计中的法律规范，针对性设计，保障工程质量。在主次梁转换层结构设计中，应严格遵循以下抗震措施。

（1）设计人员应保障，大空间层需求的裙房达到足够刚度。并且，为避免工程出现薄弱层，设计人员应严格控制四层转换层上部结构与下部结构间的侧向刚度。在抗震设计中，V型柱是工程结构的关键构件，依照性能化目标，进行中震弹性设计，中震组合下，柱顶最大应力比0.81，柱底应力比为0.58。在箱形截面内灌注混凝土，能够有效降低V型柱的轴压应力。严格依照《高规》中相关规定，保障本次建筑中的转换层上部结构与下部结构的e在1.0左右。

（2）提高主次梁转换层整体结构的刚度。在超限高层建筑结构设计中，转换层的整体结构必须符合设计规范，强化转换层平面楼板的侧向刚度，提高转换层整体结构的强度。在本次工程转换层设计中，为保障工程质量，应加强转换层上下两层结构的平面内刚度，结构布置应左右对称，在薄弱位置加强配筋与厚度。并且，设计人员应通过工程经验、计算等方式，积极了解转换层设计中的薄弱处，通过增加厚度、配筋等形式，提高工程整体质量。

（3）控制主次梁节点，保障整体建筑的稳定性。在工程建筑设计中，为保障工程抗震能力达到项目要求，应合理设计主次梁的节点，提高工程整体质量。通过计算，明确相应抗震等级地震作用及风荷载下的位移及周期要求，以此设计主次梁节点，提高建筑工程的抗震能力，控制转换层下部与上部间的侧向刚度，控制剪力墙的质量，提高工程整体性。

（4）控制主次梁强度。依照工程建设部门相关规范，设计主次梁的配筋率，提高主次梁转换结构的抗倾覆性。同时，为提高主次梁的整体强度，提高配筋率的同时，选择C45的混凝土。

6 总结

在我国进入21世纪之后，我国建筑行业进入了快速发展时期，超限高层建筑在我国城市建设逐渐增多，并成为城市标志建筑物，为保障高层建筑的抗震性、功能、质量与寿命等，主次梁结构转换层得到广泛应用。在超限高层建筑中的主次梁转换层结构设计中，不仅要重视主次梁结构的选型、布置，还应严格依照设计规范，控制主次梁的配筋率、节点等，提高提高主次梁转换层整体结构的刚度，使超限高层建筑的稳定性达到规范标准。