高层建筑梁式转换层的设计分析

2018-02-17王宝立

建筑与装饰 2018年3期

王宝立

大连市建筑设计研究院有限公司辽宁大连 116021

1 概述

随着城市化进程的加快，城市人口也迅速增长，而城市土地面积有限，于是高层建筑应运而生，伴随对建筑多功能化的需求及技术的发展，一种新的复杂结构形式出现。这种高层建筑，上部具有较小的开间，用于旅店、住宅、办公等，而下部则需要大开间，用于大堂、商业、文化娱乐等。

这种结构的竖向构件不连续，需在不连续处设置转换构件，实现力的有效传递，由此形成转换层。常用转换形式有梁式转换、桁架转换、箱型转换、厚板转换等。其中梁式转换具有传力直接、明确、计算过程相对简单，施工方便，具有良好的经济适用效果等特点，在工程中应用最为广泛[1]。

2 转换梁类别

（1）钢筋混凝土转换梁：钢筋混凝土转换梁造价低、施工简单、技术与经验较为成熟，但是转换层数受限制，当转换层数较多、荷载较大时，梁高较大，不仅影响使用空间，且自重较大。

（2）型钢混凝土转换梁：型钢混凝土梁强度高、韧性好，相比普通钢筋混凝土转换梁可有效减小转换梁截面尺寸，型钢可有效提高转换梁的抗剪性能，同时可提高转换层的整体刚度和抗震承载力。近年来，型钢混凝土转换梁在工程中的应用越来越普遍。

（3）预应力混凝土转换梁：预应力混凝土梁具有较多优点，如钢材和混凝土用量小、自重轻、裂缝和挠度小，能跨越较大的跨度等。但预应力梁施工工艺较复杂，成本较高，且预应力转换梁不能有效提高抗剪承载力，所以在减小梁截面尺寸上效果不明显。

3 框支剪力墙结构和梁托柱转换结构区别

高层建筑中，常见的梁式转换主要有框支剪力墙结构和梁托柱转换结构。这两种结构虽然都是通过转换大梁实现竖向构件的转换，但是在受力性能上，两者明显不同。梁托柱转换结构的转换梁与普通梁类似，是受弯构件，同时承受较大的弯矩与剪力，轴力相对较小[2]。框支剪力墙中的转换梁不是受弯构件；由于与上部墙体的共同作用，在转换梁上部一定范围墙体内，应力以拱的形式传递，使得转换梁不仅承受弯矩和剪力，还承受较大拉力，所以转换梁是偏心受拉构件。

4 设计原则

（1）对于竖向不规则的转换层结构，要解决的关键问题就是解决转换层上下层刚度突变问题，以缓解受力、侧移等的突变，避免薄弱层的形成。可通过增加落地剪力墙厚度、混凝土强度等级、在转换层及以下增设剪力墙、剪力墙中加设型钢等方法来加强转换层侧向刚度，满足设计要求[3-4]。

（2）保证转换梁柱节点的“强节点”原则，保证竖向力及弯矩的传递，提高转换结构的抗震承载能力、延性、耗能能力。

（3）在梁式转换层中，转换层上部墙柱的剪力要通过转换层楼板传递到落地剪力墙或框支柱上，板受较大剪力，出现变形。故在整体计算分析时，不应将转换层楼板处理成刚性楼板，同时应加厚楼板，加大配筋，保证剪力传递的有效性。

（4）在转换层设置与转换梁正交的梁，承担与转换梁正交方向的墙（柱）底弯矩，避免转换梁承受过大的扭矩作用，保证弯矩的传递[4]。

（5）转换层位置越高，对结构抗震越不利，故设时应严格控制转换层所在楼层[5]。

5 结构计算分析

带转换层的高层建筑属于复杂高层建筑，在结构计算分析时应至少采用两个不同力学模型的三维空间分析软件对整体结构进行计算分析对比，确保结构分析的准确性；同时，应采用弹性时程分析法进行补充计算[4]。之后，还应对转换层及部分上部结构的构件进行局部有限元分析，尤其是框支剪力墙结构。整体计算时，应从周期比、侧向刚度比、层间受剪承载力之比、层间位移角等方面去验证概念设计中对转换层加强措施的有效性；避免薄弱层的形成，保证力的有效传递，提高转换层的抗震性能。

6 结构构件设计

①结构的传力途径在转换层处发生突变，导致转换梁及附近相关构件受力大、受力复杂，易产生应力集中。故在构件设计时，除应根据整体分析外，还应对转换构件进行有限元补充分析。②转换层是整体结构的薄弱部位，且地震作用下的破坏会造成巨大的人员及财产损失，故设计时应提高转换构件的抗震性能目标，保证整体结构的安全性。③应提高转换梁、框支柱等转换相关构件的抗震等级。④严格控制转换层及以下部分框支柱、落地剪力墙等的轴压比，保证地震作用下的塑形变形能力，保证结构的安全性。⑤为保证结构具有足够的承载力及抗震能力，转换层处的构件应满足《高规》[4]中相关的计算及构造规定：如构件的内力的放大系数，转换梁、框支柱的截面尺寸、配筋率、配箍率、转换梁开洞的位置、构造等，转换层及相关楼板的构造要求，转换梁上墙体的构造要求等。⑥当转换梁内存在拉力，为保证轴力的传递，纵筋的连接应采用机械连接或焊接。