高层建筑梁式转换层结构设计

陆军伟

（河北 石家庄 050200）

一、梁式转换层结构形式

（一）梁式转换层结构形式

实际工程中应用的梁式转换层结构有多种形式，主要原理就是利用下部的转换大梁来支托上部结构。

（二）梁式转换结构受力机理分析

梁式转换层结构的传力途径为墙—梁—柱(墙)的形式，传力直接，便于分析计算。转换大梁的受力主要受上部剪力墙刚度、剪力墙与转换大梁的相对刚度和转换大梁与下部支撑结构的相对刚度影响。从计算分析不论转换大梁上部墙体的形式如何，只要墙体有一定长度，转换大梁中的弯矩就会比不考虑上部墙体作用要小，同时转换大梁也会有一段范围出现受拉区。主要原因：1.由于转换大梁处于结构整体弯曲的受拉区，应力积分后在转换大梁中就会出现轴向拉力；2.由于上部墙体竖向力作用于转换大梁时形成了拱的传力方式，这样竖向力转变成斜向力作用于转换大梁，从而在转换大梁跨中出现拉力，支座出现轴向压力的情况。

二、梁式转换层结构设计要点

（一）结构竖向布置

高层建筑的侧向刚度宜下大上小，且应避免刚度突变。然而带转换层的高层建筑结构显然有悖于此，属于“高位转换”。转换层上下等效侧向刚度比宜接近于1，不应大于1.3。在设计过程中，应把握的原则归纳起来，就是要强化下部，弱化上部。可以采用的方法有以下几种：

1.与建筑专业协商，使尽可能多的剪力墙落地，必要时甚至可在底部增设部分剪力墙(不伸上去)。除核心筒部分剪力墙在底部必须设置外，还与建筑专业协商后，让两侧各有一片剪力墙落地，这些无疑都大大增强了底部刚度。

2.加大底部剪力墙厚度。转换层以下剪力墙中，核心筒部分的厚度取为600mm，其余部分的厚度取为400mm。

3.底部剪力墙尽量不开洞或开小洞，以免刚度削弱太大。

4.提高底部柱、墙混凝土强度等级，采用C50混凝土(框支柱采用C50混凝土)。

5.适当减少转换层上部剪力墙数目，控制剪力墙厚度，并可在某些较长剪力墙中部开结构洞(结构施工完毕后再用填充墙填实)，以弱化上部刚度。弱化上部刚度不仅对控制刚度比有利，还可减轻建筑物重量，减小框支梁承受的荷载；增大结构自振周期，减小地震作用力。工程综合采用上述几种方法后，转换层上下刚度比在X方向为0.725，在Y方向为0.813，满足规范要求，效果良好。虽然上下部刚度比满足要求，但毕竟工程仍属于竖向不规则结构，转换层及其下各层为结构薄弱层，因而应将该两层的地震剪力乘以1.15的增大系数。

（二）结构平面布局

工程底部为框架－剪力墙结构，体型简单、规则；上部为纯剪力墙结构。在剪力墙平面布置上，东西向完全对称，南北向质量中心与刚度中心偏差不超过2m，结构偏心率较小。除核心筒外，其余剪力墙布置分散、均匀；且尽量沿周边布置，以增强抗扭效果。查阅计算结果，扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比为0.85，各层最大水平位移与层间位移比值不大于1.3，均满足平面布置及控制扭转的要求。可见工程平面布局规则合理，抗扭效果良好。

（三）转换层结构的构件设计

1.转换柱

在进行梁式转换层结构设计的时候，需要对转换柱的轴压比进行很好的控制，主要是为使结构能够具备非常好的延性。这主要是从抗震的层面上考虑的，假设该高层建筑在一级抗震的要求下进行设计，需要将轴压比控制在0.6，假设该高层建筑在二级抗震的要求下进行设计，需要将轴压比控制在0.7。

2.楼板

由于整个建筑的剪力大部分都在建筑的下部结构，导致转换层楼面所受到的力非常的大。因此，需要对楼面进行加厚，这样有利于剪力的重新分配，另外，值得注意的是，转换层的楼板不能够有太大的开洞，并且开洞时应该在洞口的周围设置暗梁，还应该将开洞的位置尽量的远离外侧边，如果需要设计电梯的话，那么在电梯间应该用钢筋混凝土墙围成一个筒体。

3.转换梁

在进行转换梁设计的时候，考虑到转换梁的受力非常的复杂，转换梁是上层和下层荷载的主要传输枢纽，因此，在实际设计的时候，应该设计足够多的储备，减少转换梁的受力程度。在竖向荷载的作用下，转换梁的梁端往往是最先受到破坏的，因此应该对其构造进行不断的加强。

三、计算要求

（一）转换大梁的设计

梁式转换层的建筑结构设计大致分成两部分：第一部分，转换层大梁是柱传下来的竖向荷载或者是承托建筑结构上部剪力墙的重要组成构件，其本身的受力比较大，也是做为整个建筑结构抗震安全的重要部位；第二部分，转换层的楼板需要将建筑结构上层的水平剪力传递给下层的抗剪结构中去，其本身所承受的平面内剪力就比较大，而且还承受着一部分的竖向荷载，所以，必须要求建筑楼板有着足够的刚度和强度。我们在实际的设计当中，一半是采用三维空间的分析程序，技术要求非常高，并且转换大梁设计在整个的建筑转换层结构设计中都有着重要的作用，应该引起高度的重视。

（二）分析计算转换层

建筑整体结构计算完毕之后，还应该对转换层采取平面有限元计算，并且对局部的应力进行相应的补充计算。在实施局部计算分析的时候，应该考虑转换结构楼层房盖的平面内刚度的影响，以及上下楼层能否进入局部的计算模式中进行计算，我们还需要注意实际结构的三维空间盒子的效应，以及符合实际操作的情况下进行正确的计算模型。实践得出，框支剪力墙计算非常的复杂，其下部许多跟柱与上部的剪力墙是相连接的，假如这样的连接存在着不当连接，那么极有可能出现较大的计算误差。建筑空间的分析程序主要是以梁柱做为基本元素，而对底部框支剪力墙进行分析的时候，是以剪力墙做为柱的基本元素而考虑的。