高层建筑梁式转换层结构设计分析

沈洁

长沙市建筑设计院有限责任公司 湖南 长沙 410007

在现代建筑工程设计与施工中，为满足功能要求，不得不设置转换层，而且虽然转换层结构种类较多，但目前以梁式转换层最为常用。在实际工作中，应保证转换梁结构设计的合理性，以充分发挥应有作用效果。

1 工程概况

某高层建筑工程总建筑面积约26000m2，地上共22层，设1层地下室。其中，地上1层至地上4层主要用于商业，地上1层楼层高度为5.0m，地上2层至地上4层楼层高度为4.0m，采用框筒体系。地上5层至地上20层主要用于住宅，楼层高度为3.0m，结构体系与商业用房相同。地上21层至顶层为机房与水箱，楼层高度为3.0m。为满足以上功能要求，需在地上1层和2层之间设置转换层，并兼做设备层使用。建筑不在抗震区。

2 转换层具体方案与分析

2.1 转换层方案

对于转换层结构，主要有如下几种：梁式转换层、桁架式转换层、板式转换层与箱形转换层。以上结构均能形成较大空间，并实现结构或者是轴线的顺利转变。对于梁式转换层，具有受力明确、结构设计简单、施工方便等优势，在实际中的应用十分广泛。另外，转换梁上实际受力相对较小的位置还能设置洞口，可满足不同的使用功能，为管线布置创造良好条件。基于此，本工程的转换层主要采用这种结构[1]。

在转换层中，高度为2.5m，上、下端和楼板直接相连，上、下层楼板的厚度分别为200mm和300mm，直接承托上部墙体；一般采用C40混凝土；截面尺寸采用以下公式计算：

式（1）中，Vmax表示转换梁支座截面最大剪力组合设计值； 表示为满足结构抗震设计要求的调整系数；fc表示混凝土结构轴心强度；b表示转换梁结构截面宽度，为900mm；h0表示转换梁结构有效高度，为2500mm。

2.2 结构分析

结构分析需要采用相关软件进行。对转换梁而言，它属于杆件，可将其视作梁单元进行结构分析，将轴线确定在上层楼板。

为避免竖向刚度产生较大变化而出现薄弱层，在设计过程中应将上层和下层的刚度之比控制在2以内，并尽可能接近于1，即：

式（2）中，Gi表示第i层的剪变模量；Gi+1表示第i+1层的剪变模量i表示折算后的第层截面积；i+1表示折算后的第i+1层截面积；hi表示第i层的楼层高度；hi+1表示第i+1层的楼层高度。

基于此，对于转换层下部柱结构，其截面尺寸确定为1100mm×1100mm，墙厚确定为500mm和450mm，采用不低于C45的混凝土；对于转换层上部墙体，厚度确定为350mm，采用不低于C45的混凝土。采用式（2）可以计算出主轴上的上层和下层的刚度之比，即1.71与1.51。从计算结果中可以看出，前三个自振周期分别为：（1）x方向：1.537s、0.449s和0.224s；（2）y方向：1.717s、0.515s和0.275s。楼层间的相对侧移及顶点实际位移都能达到现行规范的具体要求。

3 梁式转换层结构设计

梁式转换层结构承托上部墙体，实际受力相对较大，对保证结构安全有重要作用，是必须引起重视的结构构件。结构跨度在8.05～9.00m范围内，高度为2.5m，跨度和高度之比为3.22～3.60，是典型的连续短梁。由于我国相关规范还未给出这种结构的承载力确定方法，因此，需对两跨连续短梁实施试验与分析研究[2]。

3.1 试验成果

在试验中采用的梁结构为按1/5比例缩小的模型，如图1所示，通过试验与分析可知：

图1 试验梁

（1）模型正截面上的平均应变与平截面假定相符。

（2）斜裂缝最先出现于加载点到中支座的内剪跨区段的梁腹中部，即为腹剪式斜裂缝，最终会变成临界斜裂缝。裂缝分布情况如图2所示。

图2 裂缝分布情况

（3）纵筋在梁长度方向上的应变实际分布，与斜裂缝产生前，和弯矩图基本一致；而产生裂缝后，和弯矩图出现明显差别，这在很大程度上说明了梁中存在应力重分布现象；当梁即将发生破坏时，纵筋在全长范围内处在受拉的实际状态。

（4）在试验梁被破坏后，于内剪跨区段中，从临界斜裂缝上穿过的箍筋处在受拉屈服状态，使剪压区中的混凝土被压疏。边支座上的外剪跨区到加载点之间的范围中，从临界斜裂缝中穿过的箍筋，其应变是屈服应变的一半左右，但混凝土未压疏。

（5）当试验梁被破坏时，从临界斜裂缝中穿过的水平方向上的腹筋，其拉应变一般是屈服应变的一半。由此可以看出，水平方向上的腹筋未发挥应有功能。

（6）从试验梁挠度检测结果可知，梁本身是具有良好抗弯刚度与强度的。

3.2 承载力计算

根据上述试验成果，需将正截面上的受弯承载力依然按照普通梁体结构进行计算；梁体上的受剪承载力一般由箍筋与混凝土共同承担，此外水平方向上的腹筋也承受一定程度的承载力，但贡献率不超过11%。在这种情况下，对于水平方向上的腹筋，通常可不予考虑，视作安全储备。受剪承载力可以采用以下公式计算确定：

式（3）中，λ表示计算剪跨比；ft表示混凝土材料抗拉强度； 表示箍筋的抗拉强度； 表示配置在相同截面中箍筋所有分肢的总截面面积；s表示箍筋之间的距离；b表示转换梁结构截面宽度；h0表示转换梁结构有效高度[3]。

3.3 构造要求

通过对以上试验成果的分析，为保证转换梁结构在产生斜裂缝以后，所设置的纵筋可以起到应有的拉杆作用，并形成稳定的受力体系，对于底部纵筋，不允许在跨中进行截断或者是弯起，需要全部伸到支座当中，同时要有可靠的锚固；跨中周围的顶部纵筋不得过早的发生截断，在条件允许的情况下，进行通长布置。

梁式转换层结构的截面尺寸相对较大，在梁高范围内应设置腹筋。对于水平方向上的腹筋，不仅能提供受弯与受剪承载力，而且还能有效抑制裂缝，对减小温度因素影响也有重要作用。此外，截面尺寸还和剪压比有关，应尽量符合式（1）具体要求。

整体结构中，梁式转换层至关重要，对保证结构安全有关键性的作用，结构正常使用时，要求不产生斜裂缝，其截面尺寸要达到以下要求：

式（4）中，Vs表示不考虑地震影响时的支座截面剪力短期效应组合值。

4 结束语

综上所述，对于梁式转换层结构，具有受力明确的显著特点，结构设计较为简单。本工程所用转换梁是典型的连续短梁，无论是受力性能，还是承载力的计算，都和普通的梁结构有明显差异。