（河北建筑设计研究院有限责任公司，河北石家庄050011）
摘要：对于高层建筑工程来说，结构稳定性与安全性要求更为严格。当建筑功能要求底部几层为大空间，而上部仍为普通小空间的要求，某楼层上部与下部采用不同的结构形式，因此必须在结构转换的楼层设置水平转换构件，即转换层结构。梁式转换层结构设计和施工简单，受力明确，可以满足建筑功能的要求，广泛应用于底部大空间剪力墙结构体系中。在对此结构形式进行设计时，需要从多个角度出发，做好每个细节的研究分析，选择合适的措施进行优化，争取不断提高工程设计效果。
关键词：高层建筑；梁式转换层；结构设计
前言
在高层建筑结构的底部，当上部楼层部分竖向构件（剪力墙、框架柱）不能直接连续贯通落地时，应设置结构转换层。转换层结构是结构转换的楼层设置的水平转换构件，可根据建筑物使用功能要求，将结构转换层上、下两部分分别采取不同的结构形式，上部结构形式根据住宅或小型公寓、宾馆等使用功能要求采用开间小，轴线布置较多的墙体，以满足其需要；下部设置商店、银行、公共大厅等大的使用空间，且墙体尽可能地少，形成较大的空间满足使用要求。建筑物功能的改变，要求建筑结构形式的改变，而上、下结构形式的变化，就需要一个转换结构，以完成上部结构力传递至下部结构的要求。建筑结构中由于转换层的设置造成沿建筑物高度方向刚度的均匀性受到破坏，导致传力路线不直接、应力集中和变形集中，因此转换层结构的设计非常重要，需要应用合理的设计方法和措施保证转换层结构的安全可靠。转换结构构件可采用转换梁、桁架、空腹桁架、箱形结构、斜撑等，非抗震设计和6度抗震设计时可采用厚板。本文仅就最常用的转换梁结构设计作简要介绍。
1高层建筑工程梁式转换层结构设计特点
梁式转换层结构传力途径为墙－梁－柱（墙）形式，具有传力明确、清晰、直接特点。转换结构主要作用是承受上部结构传来的竖向荷载和水平荷载，这样就导致转换结构构件存在很大的内力，在对结构进行设计时，就需要将对竖向荷载的控制作为研究要点。对高层建筑工程梁式转换层结构来说，基本上均具有比上部结构大于数倍的跨度，决定了结构设计时还需要做好对结构竖向挠度的控制。通常为提高转换层结构强度与刚度，会导致结构构件截面尺寸加大。对高层建筑工程设计转换层结构，会沿着建筑高度方向对刚度均匀性造成影响，改变力的传播途径，成为竖向不规则结构，在对梁式转换层结构进行设计时，需要结合其所具有的特点来确定设计要点，选择措施做好每个环节的优化分析。
2高层建筑工程梁式转换层结构设计原则
2.1减少竖向构件
在对高层建筑工程梁式转换层结构进行设计时，需要控制好转换层以上部分竖向承重构件的数量。如果工程竖向构件数量较多，会增加转换构件数量，同时上部结构刚度大，下部就需要布置较多的剪力墙，以满足转换层上、下结构刚度比的要求，这就会降低转换效果。当整体结构转换层刚度突变减小时，会降低工程整体结构的刚度，进而会影响到抗震效果。另外，在建筑物竖向高度方向上，在保证整体结构具有足够承载力与刚度前提下，可以在楼层中采用间隔布置剪力墙，以减少竖向承重构件和转换构件。
2.2结构转换层位置
要提高转换层结构位置的合理性，一般情况下应将转换层位置设计在比较低的位置，以免转换层结构位置过高而对部分框支剪力墙结构刚度与内力造成影响，甚至会降低结构抗震性能。因此必须要做好对结构转换层位置的控制，结合实际需求来调整转换层下部框架及剪力墙的布置，提高下部结构刚度，尽量避免出现轴向变形差较大的问题。按照规范有关要求，部分框支剪力墙结构在地面以上设置转换层的位置，8度设防时不宜超过3层，7度时不宜超过5层，6度时可适当提高（广东规范为不宜超过7层，供设计时参考）。
2.3下部结构刚度
在对转换层结构刚度进行控制时，需要确保结构上下部之间变形协调，上下层结构刚度接近。一般转换层以下层高较大，抗侧刚度较小，因此，可以采取提升下部抗侧刚度的方法，确保建筑结构刚度的均匀性，同时宜将结构质量中心与平面形心尽量重合，避免出现扭转不规则的情况。为避免因设置框支柱而引起结构的刚度突变，落地剪力墙数量不能太少，并应加大落地剪力墙底部的厚度，提高加厚部分的混凝土等级，尽可能使上下层刚度接近，同时尽可能把落地剪力墙布置成筒体。为使框支剪力墙与落地剪力墙协同工作而减轻框支柱的负担，落地剪力墙之间的距离不应过大。当落地剪力墙间距过大时，转换层楼板会产生水平变形，这对底部柱受力十分不利。除了限制落地剪力墙的间距外，还应重视转换层楼板的设计，加强转换层楼板的水平平面内刚度。
当转换层设置在1、2层时，转换层与其相邻上层结构的等效剪切刚度比宜接近1，非抗震设计时不应小于0.4，抗震设计时不应小于0.5。 当转换层设置在2层以上时，转换层与其相邻上层结构的侧向刚度比不应小于0.6，同时转换层下部结构与上部结构的等效侧向刚度比宜接近1，非抗震设计时不应小于0.5，抗震设计时不应小于0.8。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
2.4转换层计算
在对转换层进行设计前，必须要结合实际情况对各环节的所有数据参数进行采集、计算与分析，最终形成统一的结构数据。各环节数据的计算分析结果直接决定了工程结构设计质量，要求设计人员必须要严格按照受力变形状况来进行数学建模，利用信息技术与计算机技术完成各项三维立体空间的构建。各计算参数及地震力放大系数应满足规范相关要求，除此之外，尚应注意以下几点：
（1）宜考虑平扭藕联计算结构的扭转效应，振型数不应小于15，且计算振型数应使各振型参与质量之和不小于总质量的90%。
（2）应采用弹性时程分析法进行补充计算。
（3）采用有限元方法对转换结构进行局部补充计算。
（4）转换结构构件的大跨度（跨度大于8m）、长悬臂结构（悬挑长度大于2m），7度（0.15g）、8度抗震设计时应计入竖向地震作用。
（5）9度抗震设计时应计算竖向地震作用。
（6）转换梁与其上的墙板下部形成“拱”作用，使墙面产生水平方向的拉应力及压应力，愈接近底部边缘，拉应力愈大，形成了“拱的拉杆”作用。实际上转换梁只是墙体边缘的加厚部分，抵抗边缘区域内的拉力和弯矩。为了抵抗支座附近较大剪力，有时可以在支座附近加大梁断面，形成“加腋托梁”，尽量避免将整跨梁断面加大。
（7）结构转换层的设计不宜采用转换主、次梁方案。必徐采用时，宜按应力分析的结果校核配筋设计，并满足转换梁的构造要求；还要特别注意两端支承主梁的挠度差异引起的附加内力。建议在转换梁建模时，均应按主梁建模。
（8）框支梁不宜开洞。若需开洞时，洞口位置宜远离框支柱边，上、下弦杆应加强抗剪配筋，开洞部位应配置加强钢筋，或用型钢加强，被洞口削弱的截面应进行承载力计算。
（9）应注意整体结构是否超限，如上下层刚度比、相邻层受剪承载力之比、考虑偶然偏心的扭转位移比等是否满足规范要求；超限时应进行超限审查。
3高层建筑工程梁式转换层结构设计实例分析
3.1工程概述
以笔者设计的某高层建筑工程为例，主楼地上29层，地下2层，结构主体高度为98.4m，采用部分框支剪力墙结构。地下1层顶板为上部结构嵌固端。1～5层为商业用房，6层以上为公寓，1～4层层高为5.1m，转换层层高为6.1m，转换层上设设备层，层高为2.15m，6层以上各层层高均为2.9m。结构转换层设置在嵌固端以上5层顶位置，采用梁式转换层结构。本工程建筑抗震设防类别为标准设防类，抗震设防烈度为7度，0.10g，第二组，场地类别为III类。因属于高位转换，框支柱及底部加强部位剪力墙抗震等级为特一级，转换梁抗震等级为一级，非底部加强部位的剪力墙抗震等级为二级；结构设计使用年限为50年。
3.2结构设计
本工程平面形状为L形，属于平面凹凸不规则，竖向抗侧力构件的内力由水平转换构件向下传递，属于竖向抗侧力构件不连续，已经存在两项不规则。按规范有关规定，同时具有三项及以上不规则的高层建筑工程，属于特别不规则的建筑，需进行超限高层建筑工程抗震设防专项审查。本工程属于三边工程，为满足施工进度的要求，甲方要求尽量不进行超限审查，可采取相应的结构措施，避免再出现不规则项。经过分析，可能出现的不规则项为扭转不规则和刚度突变、承载力突变。为此结构设计时采取了如下措施，避免了结构超限。
（1）设备层采用地笼墙上搭预制板形式，板边与剪力墙间留设伸缩缝，这样可将设备层与上层计算时合并为一层考虑，增加了转换层上层的层高，减小了上层抗侧刚度。
（2）采用梁端加腋等方法，尽量减小转换梁高度，降低转换层层高，同时在满足建筑使用功能的前提下，增加转换层以下剪力墙数量或厚度，以达到增加转换层抗侧刚度的目的。
（3）尽量将剪力墙布置在建筑物两端，减少中部剪力墙数量，必要时可在建筑物两端设置斜撑，增加建筑物的抗扭转刚度。
采取以上措施后，经过反复试算，不断调整结构布置，避免了刚度突变、承载力突变及扭转不规则等超限项，获得了预期效果。
另外本工程采用弹性时程分析法进行了补充计算，并采用了有限元方法对转换结构进行局部补充计算，对转换梁配筋进行了调整。
本工程转换层以下主要剪力墙厚度为400mm，转换层以上剪力墙厚度为200mm，采用Ⅲ级钢（HRB400），混凝土强度等级为C50～C30；框支柱最大断面为1200mm×1200mm，采用Ⅳ级钢（HRB500）为纵向钢筋，箍筋采用Ⅲ级钢（HRB400），混凝土强度等级为C60；转换梁最大断面为1100mm×2200mm，最大跨度为9000mm，受力钢筋采用Ⅳ级钢（HRB500），箍筋采用Ⅲ级钢（HRB400），混凝土强度等级为C60。由于转换梁受力较大，普遍存在受剪不足的现象，故采用了转换梁水平加腋或竖向加腋。
4结语
总而言之，梁式转换层在多功能高层建筑中发挥着重要作用，需要根据建设需求结合成功经验及必要计算，并采取适当的加强措施，实现结构优化设计，保证高层建筑的安全性。
参考文献：
[1]JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[S]
[2]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S]
[3]黄世敏，杨沈.建筑震害与设计对策[M]．北京：中国计划出版社，2009
[4]魏利金．建筑结构设计规范疑难热点问题及对策[M]．北京：中国电力出版社，2015
论文作者:胡建彬 周小可
论文发表刊物:《建筑建材装饰》2015年11月上
论文发表时间:2016/9/18
标签：结构论文; 刚度论文; 构件论文; 剪力墙论文; 不规则论文; 层高论文; 结构设计论文; 《建筑建材装饰》2015年11月上论文;