概述高层建筑梁式转换层结构设计原理及其应用
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摘 要：梁式转换层结构设计是多功能高层建筑实现功能转换中应用的最广泛的一种转换层结构设计方法。本文先简单介绍了梁式转换层结构设计在国内发展历程和梁式转换层结构在高层建筑中应用的设计原则。最后，文中从结构形式、受力机理以及设计要求三方面，对梁式转换层的设计进行了详细探讨。
关键词：高层建筑;梁式轉换层;结构设计;设计原理;原理应用
改革开来以来，我国城镇化建设脚步一直在不停加快，城市人口也在快速增长，使得城市土地变得寸土寸金。于是，为了有效利用有限的城市土地资源，提高城市土地利用率，近几年来，在城市建筑中，建筑结构逐渐向高层建筑发展。并且，这种趋势现在已经变得越来越明显，城市高层建筑高度越来越高，结构越来越复杂，同时，高层建筑的使用功能也逐渐呈现出功能多样化的发展趋势。比如，在同一栋高层建筑内，将建筑分成上中下三个不同的组成部分，上层为住宅功能区，中层为办公功能区，下层为购物、餐饮功能区，彻底改变了以往一栋建筑只提供一种使用功能的结构特点。而由于在同一栋建筑内同时实现了多种不同使用功能，每一种使用功能对建筑物建筑结构和建筑空间的要求都不一样，因此，为了能够更好的实现不同功能的转换，需要在建筑物施工结构设计中设置转换层。目前，在建筑结构设计中应用最广泛的就是设计、计算以及施工都比较简单的梁式转换层结构。
1转换层概述
当高层建筑底部带结构转换层时，转换层上部的部分竖向构件是不能连续贯通。因此，需要设计出合理的转换构件。通常转换构件主要包括转换大梁、斜撑、箱形结构以及厚板等。厚板转换受地震影响大，使用时存在较大局限性;箱形转换的优点是转换梁的约束性强，刚度大，整体性好，缺点是施工复杂，造价高。目前一般采用梁式转换，即将上部剪力墙设于转换梁上，再由转换柱来支撑转换梁。其优点是传力方向明确，设计和施工简便，造价低。
2梁式转换层的设计原则
2.1减少竖向构件
在进行高层建筑梁式转换层的结构设计时，应该最大限度地控制好竖向构件数量。高层建筑竖向构件越多，需要进行转换的竖向构件就会越多，转换层造成的刚度突变就越大，对结构抗震就越不利。
2.2转换柱、剪力墙对称布置
在布置转换柱与剪力墙时，应该采用对称布置的原则。转换梁上方的转换柱尽量布置在转换梁的跨中位置，这样当转换梁出现变形时，转换柱所受到的影响减为最小。否则转换柱在梁的带动下，会出现较大变形，其剪切和弯曲应力对转换柱可能造成损害。
2.3强化转换层下部主体结构刚度
为保证下部大空间整体结构有适宜的刚度、强度、延性和抗震性能，需要尽量强化转换层下部主体结构的刚度，适当弱化转换层上部的结构刚度，以尽量保证转换层上下部主体结构的变形及刚度特征接近。通常可采用加大转换层下部主体结构竖向构件的截面尺寸、提高其混凝土强度等级、增加剪力墙等方法，以此来强化下部主体结构的刚度。但在采用增加剪力墙的方法来提高抗侧刚度时，要注意整体刚度的均匀分布，保证质量中心与刚度中心尽可能重合，避免由于两者偏心引起的建筑结构的整体扭转。
2.4保证转换层的刚度
转换层的刚度达不到要求会影响建筑物的抗震效果，因此，带转换层结构设计过程中保证转换层的刚度尤其重要。通常情况下，转换梁截面高度不宜小于计算跨度的1/8，以有效保证转换梁结构内力的合理分布，而且也可保证梁上剪力墙柱与转换梁的受力性能。另外，转换层楼板厚度适当加厚，混凝土强度适当提高，才能有效提高转换层的结构刚度。
2.5转换层位置避免过高
转换层的位置较高时，易使框支剪力墙结构在转换层附近的刚度、内力和传力途径发生突变，并易形成薄弱层。如果必须将转换层设置在高位时，需要对转换层下部框支结构相同效率的刚度进行有效控制，尤其要控制好轴向变形、剪切、弯曲等结构构件的刚度，这种控制措施有利于降低层间内力发生突变。另外，在对落地剪力墙的间距进行设计时，应该比底层框支剪力墙的结构设计更加严格。
2.6严格计算梁式转换层
转换层结构是高层建筑结构设计的重中之重，在对其实际受力变形状态模型进行计算时，应该采用三维空间整体结构分析方法。必要时可采用有限元方法对转换结构进行局部补充计算，此时转换结构以上至少取两层结构进入局部计算模型，并注意模型边界条件符合实际工作状态。
3梁式转换层的设计要点
3.1转换梁的设计
（1）由于上部荷载作用点或荷载作用线经常与转换梁截面中心线不重合，使得转换梁产生扭矩，而梁的抗扭承载力较低，因此设计时不仅要通过计算来确定抗扭承载力是否能满足，还应在设计之初就尽量使两者重合，有条件的情况下可设置双向转换梁来平衡扭矩。（2）转换梁截面尺寸一般由剪压比控制，宽度不小于其上墙厚的2倍，且不小于400mm;高度不小于计算跨度的1/8。（3）转换梁受力巨大且受力情况复杂，它不但是上下层荷载的传输枢纽，也是保证框支剪力墙抗震性能的关键部位，是一个复杂而重要的受力构件，因而在设计时应留有较多的安全储备，转换梁上、下部纵向钢筋的配筋率除满足计算要求外，还应满足《高规》最小配筋率的要求。（4）转换梁受剪很大，在竖向荷载的作用下，转换梁的梁端最先受到破坏，而且对于这样的抗震重要部位，更应强调“强剪弱弯”原则，在纵筋已有一定富余的情况下，梁端箍筋更应加强。转换梁在满足计算要求的前提下，梁端箍筋加密区的配箍《高规》有明确规定。（5）转换梁一般为偏心受拉构件，梁中有轴力存在，因而应配置足够数量的腰筋。腰筋直径不小于16mm，沿梁高间距不大于200mm，并且应可靠锚入支座内。
3.2转换柱的设计
（1）转换柱截面尺寸主要由轴压比控制并应满足剪压比要求。为保证转换柱具有足够延性，对其轴压比应严格控制，对部分因截面尺寸较大而形成的“短柱”，轴压比的控制应更加严格。柱截面延性还与配箍率有密切关系，因而转换柱的配箍率也比一般框架柱大得多。（2）作为重要的竖向构件，为增加安全性，对转换柱端剪力及柱端弯矩均要乘以相应的增大系数。因为程序计算时，一般假定楼板刚度无限大，水平剪力按竖向构件的刚度分配，而底部剪力墙刚度远大于转换柱，使得转换柱剪力非常小，然而考虑到实际工程中楼板的变形以及剪力墙出现裂缝后刚度的下降，转换柱剪力就会增加，因而《高规》对转换柱的剪力增大作了单独规定。（3）为了加强转换层上下连接，转换柱在上部剪力墙体范围内的纵筋应伸入上部墙体内不少于一层;其余在剪力墙体范围外的纵筋则水平锚入转换层梁板内，满足锚固要求LaE。
3.3转换楼板的设计
框支剪力墙结构以转换层为分界，上、下两部分的内力分布规律是不同的。在上部楼层，外荷载产生的水平力大体上按各片剪力墙的等效刚度比例分配;而在下部楼层，由于框支柱与落地剪力墙间的刚度差异，水平剪力主要集中在落地剪力墙上，即在转换层处荷载分配产生突变。转换层楼板承担着完成主体结构上、下部分剪力重分配的任务，并且由于转换层楼板自身平面内受力很大，而变形也很大，所以转换层楼板必须有足够的刚度作保证。
4 结 语
上世纪70年代开始，我国开始将高层建筑梁式转换层结构作为高层建筑设计的重要内容，提升了建筑结构控制的效益。结构转换设计完成了对建筑空间的提升，实现了对常用结构形式的灵活连接及转变，对我国高层建筑安全指标具有非常积极的意义。
参考文献
[1]谢晓锋.高层建筑转换层结构型式的应用现状及问题[J].广东土木与建筑.2004（02）.
[2]唐兴荣，何若全.高层建筑中转换层结构的现状和发展[J].苏州城建环保学院学报.2001（03）.
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