高层建筑梁式转换层结构设计探讨

胡靖

摘    要：随着建筑技术不断发展，城市高层建筑不断林立，带转换层的复杂高层建筑也屡见不鲜。转换层结构受力情况复杂，易形成薄弱部位从而对整体结构受力性能造成不利影响，因此转换层结构设计是提高结构安全性的重中之重。本文以梁式转换结构为研究对象，简要分析转换结构构件的受力特点及转换层对结构整体受力可能造成的影响，归纳总结转换构件及建筑整体结构设计的一般性规律，为高层建筑梁式转换层结构设计提供一些方法建议。

关键词：高层建筑;梁式转换层;转换构件;结构设计

1  前言

在进行高层建筑结构设计时，为避免结构侧向刚度突变形成软弱层，一般要求竖向布置规则均匀，竖向抗侧力构件上下连续贯通。然而工程实际中，由于某些建筑功能特殊需求，譬如建筑底層需要设置大空间时，建筑结构的部分框架柱或剪力墙无法直接连续贯通落地，就必须进行转换层设计。转换结构根据上部结构构件的不同可分为托墙转换和托柱转换，而根据转换结构构件的不同又可分为梁式、板式、桁架式等不同转换形式。其中以转换梁为主要转换结构构件的梁式转换结构是其中最为常见的一种，具有构造简单、结构可靠稳定等特点。

带转换层的高层建筑设计属于复杂高层建筑设计范畴。由于墙、柱等竖向构件的连续性被打断，转换层的受力情况较为复杂，易形成抗侧力薄弱部位，进行结构设计时必须特别关注转换构件的受力特性，加强建筑结构整体的抗侧力性能，必要时还需要对受力复杂部位进行补充应力计算分析。

2  转换结构受力特点

2.1  水平转换构件

梁式转换结构以转换梁作为主要水平转换构件，直接承受其上部被转换框架柱或剪力墙传递的竖向荷载作用，受情况较为复杂。在上部结构荷载作用下，转换梁承受较大剪力和弯矩，特别是托柱转换梁在托柱部位承受较大集中荷载以及转换梁自身或其上部墙体的边洞，极易造成转换梁的应力集中。对于托柱转换梁，由于上部竖向荷载与下部竖向荷载的偏心效应，转换梁一般承受一定扭转作用，需要考虑转换梁扭转承载力的计算分析和加强措施。对于框支梁，在弯矩和轴力共同作用下，易形成偏心受压作用，梁截面受拉区域较大，甚至全截面受拉。

2.2  竖向转换构件

竖向转换构件指承托转换梁的竖向构件，一般为转换柱。转换柱虽然受力形态与普通框架柱大致相同，但是受力大、破坏后果严重，是转换层结构中需要重点加强的重要受力构件。转换柱抗震承载力主要受柱截面的轴压比和剪压比控制。考虑结构整体的抗震变形能力，转换柱不宜过早屈服，在进行抗震承载力分析计算时，转换柱及与之相连的上、下柱端的剪力和弯矩设计值应进行一定调整。对于部分落地剪力墙结构，需要考虑框支柱与落地剪力墙协同抗震问题，特别是在地震作用下出现落地剪力墙刚度降低现象时，框支柱上将承受更多地震作用。另外由于转换梁、柱受力的特殊性，其节点区域的受力非常大，应进行抗震验算。

2.3  转换层位置对结构整体受力特性影响

转换层由水平转换构件及其下部竖向构件构成。由于竖向构件布置的变化，转换层的上、下部楼层易形成较大侧向刚度差异，导致构件的内力和变形突变。因此转换层是高层建筑结构设计需要重点考察的部位。转换层位置对结构整体的抗侧力性能有显著影响，在进行结构侧向刚度分析计算时，应注意转换层上、下部位计算模型高度的选取。一般来说，越是高位转换对结构抗震越不利，特别是对于部分落地框支剪力墙结构，在地震作用下，高位转换易使上部墙体破坏和下部落地剪力墙屈服，因此应限值转换层位置不宜过高，同时相应提高框支柱和剪力墙底部加强部位的抗震构造措施。

3  转换构件设计原则

3.1  转换梁结构设计

与普通框架梁以受弯为主的受力形态不同，转换梁必须考虑承受拉、弯、剪、扭的共同作用。在进行截面设计时，除满足受弯承载力和受剪承载力要求外，转换梁截面尺寸受剪压比控制。同时，考虑构件整体的稳定性，应限值高跨比不宜过小;考虑转换梁与上、下竖向构件的连接，一般限制其截面宽度不大于转换柱同方向宽度，并且不小于所托柱宽度或不小于所托墙体厚度的2倍。配置偏心受拉转换梁钢筋时，除满足相应抗震构造措施外，梁底纵向钢筋应全部直通柱内，梁顶纵向钢筋至少50%沿全长贯通。针对转换梁受扭，应沿腹板高度配置腰筋，同时采取转换梁柱截面中线重合、在托柱位置设置与转换梁方向正交的框架梁等方式减小扭矩。此外，还需特别注意边洞、集中荷载等因素造成的转换梁截面上应力集中，对转换梁及其上部墙体的洞口尺寸、离开转换柱距离等几何参数加以限制，同时对相应部位采取箍筋加密等加强措施。

3.2  转换柱结构设计

作为重要受力构件，转换柱一旦遭受破坏，对结构整体的损害巨大，因此在进行带转换层高增建筑的抗震设计时必须首要确保转换柱安全性。对于托柱转换结构，应根据建筑物抗震等级，适当调整转换柱轴力设计值;遵循强柱弱梁的抗震机构控制原则，调整柱端弯矩设计值;遵循强剪弱弯原则，调整柱端剪力设计值，同时柱截面还必须满足剪压比控制条件;遵循强节点弱构件原则，对转换梁柱的节点核心区进行抗震承载力验算，并采取相应构造加强措施。对于部分框支剪力墙结构，应根据框支柱数量和承受结构基底剪力占比调整地震剪力，根据抗震等级调整落地剪力墙底部加强部位的弯矩和剪力设计值，并且避免墙肢出现偏心受拉。转换柱截面主要由轴压比控制，截面高度和宽度最小值分别不小于转换梁跨度的1/12和450mm，同时还应避免柱截面过大形成“短柱”。为增加安全度，转换柱与普通框架柱相比有更高配筋率要求，其中纵向钢筋最小配筋率增加0.2%，最小配箍特征值增加0.02，最小体积配箍率（与抗震一级时框架柱相比）增加0.7%。转换柱箍筋应沿柱全高加密，箍筋的最小直径和最大间距也比普通框架柱有更高要求。

4  带转换层高层建筑整体结构设计

4.1  转换层布置及上部结构设计

对于带转换层的高层建筑，考虑到高位转换对结构整体受力性能可能产生的不利影响，应尽量控制转换层高度。特别是对于框支剪力墙结构，抗震设防烈度为8度、7度、6度时转换层分别不宜超过3层、5层、6层，并且当转换层超过3层时应注意加强框支柱和剪力墙底部加强区的抗震构造措施。转换层上部结构的平面布置宜尽量简单，上部结构的竖向抗侧力构件宜直接落在转换梁上，减小荷载传递路径。无法避免主、次梁二次转换时，应充分考虑传力路径过长的不利影响，对转换主梁进行应力补充分析和配筋校核。

4.2  结构整体抗侧力性能控制

为避免转换层上、下结构侧向刚度出现较大差异，给结构整体抗侧力性能带来不利影响，需要对转换层上下的侧向刚度比进行验算分析。对于转换层设置在2层及以下的情况，可以仅计算转换层及其相邻上层的等效剪切刚度，近似采用这两个相邻楼层的等效剪切刚度比进行控制。此处等效剪切刚度指该楼层的折算剪切刚度与层高的比值。对于转换层设置在3层及以上的情况，则必须取转整个转换层及下部结构和接近并小于其计算高度范围内的转换层上部结构，分别计算等效侧向刚度，以下、上部的等效侧向刚度比进行控制。此处等效侧向刚度指所取计算结构计算高度与其在单位水平力作用下顶部侧移的比值。

5  结语

与普通高层建筑相比，带转换层的高层建筑的结构设计具有其特殊性。围绕转换构件的内力分析和构造加强、转换层设置和转换路径的优化设计、整体结构的抗侧力性能控制，有必要进行全面系统的分析研究，以达到提高结构安全性的目的。

参考文献：

[1] 郑梦龙.钢筋混凝土梁式转换层施工技术在高层建筑工程中的应用[J].中国住宅设施，2018（7）：127～128.