高层建筑梁式转换层结构设计

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　　摘要：梁式转换结构是转换结构中最常见的一种结构转换形式，具有传力路径清晰快捷、工作可靠、构造简单、施工方便等特点，成为目前高层建筑应用最广泛的转换层结构型式。阐述了梁式转换层结构设计的特点和应注意的一些问题，以供同行探讨。
　　 关键词：高层建筑；梁式转换层；结构设计
　　 近年来，随着我国经济的持续快速发展，人们对高层建筑的功能要求趋向于多样化、综合化和全面化。较为常见的形式是上部为小开间的民用住宅，下部为大开间的商场或公共娱乐场所。从建筑功能上看，高层建筑上部需要较多的墙体来分隔空间以满足住宅户型的需要； 而下部则希望有较大的自由灵活空间，大柱网、少墙体,以满足公共使用要求。然而,按照这样的建筑形式进行结构布置时，上部墙体多而密，下部柱网少而稀,即刚度上大下小。这与常规的结构竖向布置的原则正好是相反的。为了满足建筑要求就必须在上下不同结构体系转换的楼层设置转换层。于是，带转换层的建筑结构孕育而生，并在近年来得到较为广泛的应用。对转换层的结构设计给出了一系列新的规定和要求。
　　1梁式转换层的结构形式和受力特点
　　1.1梁式转换层的结构形式
　　梁式转换层可以从多个角度进行分类，例如，从转换梁使用的材料角度，有钢结构、混凝士结构以及预应力混凝土等；从上层墙开洞口的角度，有全跨、半跨，开洞口、无洞口，开门、窗洞口等；从梁的跨度角度，有单跨以及多跨；从梁的结构构造角度，有加腋以及不加腋等。实际过程中，可以依据转换梁的受力特点、工作形式以及应用方式等将转换梁划分为不同的结构形式。
　　1.2梁式转换层的受力特点
　　要进行梁式转换层结构的谩计计算，就必须首先弄清楚此类转换结构传力途径以及相应的转换梁的受力特点。一般梁式转换层结构的传力路径为：墙或者柱一转换梁一柱或者墙。这种传力形式直接简单，可靠度高，较易施工，而且经济合理，设计计算简便。
　　2 转换层的结构形式及设计原则
　　2.1 转换层的主要结构形式
　　 高层建筑结构下部受力比上部大，按常理来说，在高层建筑结构的设计中就要考虑下部的刚度要大于上部结构，采用的措施就是下部增加墙体、增加柱网，而上部逐渐减少墙柱的密度。显然，这在高层建筑设计中是不现实的，因为高层建筑的使用功能对空间要求却是下部大空间，往上部逐渐减小，因此对高层建筑结构的设计就要考虑反常规设计方法。在《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2001）中，规范对转换梁的最小高度和宽度作如下规定：框支梁截面的宽度不宜大于框支柱相应方向的截面宽度，不宜小于其上墙体截面厚度的2 倍，且不易小于400mm；当梁上托柱时，尚不应小于梁宽方向的柱截面宽度。进行抗震设计时转换梁高不小于其跨度的1/6；非抗震设计时，转换梁高不小于跨度的1/8。从该设计规程中可知，采取这些限制主要是保证转换梁结构的整体刚度，增强结构的可靠性。
　　2.2 转换层设计原则
　　① 转换层的竖向布置
　　 转换结构可根据其建筑功能和结构传力的需要，沿高层建筑高度方向一处或多处灵活布置也可根据建筑功能的要求，在楼层局部布置转换层，且自身的这个空间既可作为正常使用楼层，也可作技术设备层，但应保证转换层有足够的刚度，以防止沿竖向刚度过于悬殊对大底盘多塔楼的商住建筑，塔楼的转换层宜设置在裙房的屋面层，并加大屋面梁、板尺寸和厚度，以避免中间出现刚度特别小的楼层, 减小震害。对部分框支剪力墙高层建筑结构，其转换层的位置，7度区不宜超过第5 层，8 度区不宜超过第3层。转换层位置超过上述规定时， 应作专门研究并采取有效措施。
　　② 转换层的结构布置
　　 底部带转换层结构，转换层上部的部分竖向构件不能直接连续贯通落地，因此，必须设置安全可靠的转换构件。按现有的工程经验和研究结果，转换构件可采用转换大梁、斜撑、箱形结构以及厚板等形式。由于转换厚板在地震区使用经验较少，可在非地震区和6 度抗震设计时采用，对于大空间地下室，因周围有约束作用，地震反应小于地面以上的框支结构， 故7，8 度抗震设计时的地下室可采用厚板转换层。
　　③ 转换层的抗震设计
　　 带转换层的高层建筑结构中，由于设置了转换层沿建筑物高度方向刚度的均匀性受到很大的破坏，转换层结构竖向承载力构件不连续和墙、柱截面的突变，导致传力路线曲折、变形集中和应力集中，因此转换结构的抗震性能较差。
　　3 粱式转换层结构的关键设计
　　 1)整体结构宜进行弹性时程分析补充计算和弹性时程分析校核，还应注意对整体结构进行重力荷载下准确施工模拟计算。在有抗震设防要求的底部大空间结构中，仍然要设计延性剪力墙结构。其主要措施有：控制剪力墙的塑性铰出现在框支层以上的上部墙体中，以避免框支层出现大变形；加强落地剪力墙的下部，防止剪切破坏，防止屈服；加强框支柱设计，使其具有足够的安全贮备及延性转换梁的截面尺寸一般由其剪压比计算确定，且须有合适的含箍率，以避免脆性破坏。
　　 2)转换梁的混凝土强度等级不应低于C30；转换梁上、下主筋的最小配筋率非抗震设计时为0.3％；抗震设计时，一、二、三和四级抗震等级分别为0.5％、0.4％、0.35％和0.35％。转换梁中主筋(纵向钢筋)不宜有接头；有接头时，宜采用机械连接，且同一截面内钢筋接头面积不应超过全部主筋截面面积的50％，接头位置尚应避开上部剪力墙开洞部位、梁上托柱部位及受力较大部位。转换梁上部主筋至少应有50％沿粱全长贯通，下部主筋应全部贯通伸入柱内。
　　 3)转换梁箍筋要求为：梁支座边距柱0.2ln(1n为转换梁净跨)或1.5hb (h b为转换梁的高度)范围内箍筋应加密，加密区箍筋直径不小于l0mm，间距不大于l00mm，加密区最小面积配箍率为：一级时0.8％，二级为0.7％，三级时0.6％，四级时0.6％；非抗震设计时0.5％。上部剪力墙门洞下方(洞宽+2 h b)范围内转换粱箍筋也按上述要求加密。
　　 4)框支柱的截面一般由其轴压比计算确定，由于结构的竖向构件在转换层处部分终断，必须保证下部结构的抗剪能力，限值框支柱的轴压比。抗震设计时，框支柱的内力须按规范进行调整。
　　 5)有地震组合时，一级、二级框支柱承受的地震作用产生的轴力设计计算值应分别乘以1.5，1.25的调整放大系数；框支柱承受的地震剪力标准值应按下列规定采用：框支柱的数目不多于l0时，当框支层为l～2层时，每层每根柱承受的剪力应至少取基底剪力的2％；当框支层为3层及3层以上时，各层每根柱所受的剪力应至少取基底剪力的3％；框支柱的数目多于l0根时，当框支层为1～2层时，每层每根柱承受的剪力之和应取基底剪力的20％；当框支层为3层及3层以上时，每层框支柱承受剪力之和应取基底剪力的30％；框支柱剪力调整后，应相应调整框支柱的弯矩及柱端梁的剪力、弯矩，框支柱轴力可不调整。
　　 框支柱节点区水平箍筋原则上可同柱箍筋配置，当框支梁、转换梁腰筋配置及拉通可靠锚固时，可按构造要求设置水平箍筋、拉筋。框支柱纵筋在框支层内不宜设接头，若需设置，接头率不超过5且接头位置离开节点区不小于500mm，接头采用可靠的机械或焊接连接。
　　结束语
　　 梁式转换层结构对于整体建筑的可靠性、安全性以及耐久性具有至关重要的意义，其传力直接明确、可靠性高、经济和理以及较易施工的有点使得它在建筑中应用愈发广泛。在设计计算过程中对于转换层的受力特点、控制要点和一些构造要求应当给予足够的重视。

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