浅析高层建筑梁式转换层结构设计的要点
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摘要：本文介绍了高层建筑结构转换层的发展趋势,重点探讨了梁式转换层结构设计的要点,可供类似工程设计参考。
关键词： 高层建筑结构 梁式转换层 结构设计
1．转换层结构的概括
随着高层建筑的发展，建筑物的功能不再单一，如公寓、旅馆、办公楼等均在建筑物下部设置商店、银行、公共大厅、会议中心、停车场等需要较大跨度的公共空间。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。
（1）从结构角度看，转换层结构的功能主要有：上、下层结构形式的转换，上、下层结构轴网的转换，上、下层结构形式和结构轴网同时转换。
（2）转换层结构的几种主要形式：梁式转换层结构，板式转换层，箱形转换结构，析架转换结构。
（3）梁式转换层：现代高层建筑由于使用功能要求大空间，往往需要采用转换层结构。梁式转换层结构是目前高层建筑中实现垂直转换最常用的结构形式，其传力途径采用墙柱转换梁-柱（墙）的形式，具有传力简单、明确的优点，便于计算、分析，且造价较节省。从70年代中期，国内开始尝试使用梁式转换层，到现在短短的几十年时间内，梁式转换层的工程应用发展很快。从国内外105栋高层建筑采用的转换层的统计结果来看，采用梁式转换层的高层建筑有81栋，约占77%.但是由于梁式转换层结构形式的多样性，作为主要受力构件的转换梁表现出的受力特征也各不相同。实际工程中梁式转换层的结构形式多种多样，从跨度上，可分为单跨、双跨及多跨；从上部墙体形式上，可分为满跨和不满跨、开洞和不开洞和开窗洞；从棍凝土结构梁式转换层施工技术及其可靠性的研究转换梁功能上，可分为托墙和托柱；从转换梁形式上，可以分为加腋与不加腋；从转换梁结构采用材料上，又可分为钢筋混凝土、预应力混凝土和钢骨混凝土、钢结构等。
2．转换层的结构形式及设计原则
转换层的主要结构形式在《高层建筑混凝土结构技术规程》( JGJ3- 2002)中，规范对转换粱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。
（1）转换层设计原则：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：研究得出，底部转换层位置越高，转换层上、下刚度突变越大，转换层上、下内力传递途径的突变就越加剧；此外，转换层位置越高，落地剪力墙或简体易出现受弯裂缝，从而使框支柱的内力增大，转换层上部附近的墙体易于破坏。总之，转换层位置越高对抗震越不利。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：为保证设计的安全性，规定部分框支剪力墙结构转换层的位置设置在3层以上时，其框支柱、剪力墙底部加强部位的抗震等级宜按高规规定提高一级采用，提高其抗震构造措施，而对于底部带转换层的框架一核心简结构和外围为密柱框架的简中简结构的抗震等级不必提高。对转换层的转换构件水平地震作用的计算内力需调整增大；8度抗震设计时，还应考虑竖向地震作用的影响。
3．计算要求
（1）整体结构分析计算，高层建筑结构中，转换层只是其中的一个部分，在进行内力分析前，必须先对整个结构做整体计算分析。可分别按空间协同工作分析方法和三维空间分析方法进行整体内力与位移计算，此时转换构件可作为结构的一部分参与整体计算。由于带转换 层的结构， 结构布置沿竖向变化明显，竖向刚度不均匀，故结构布置时需运用概念设计、 力学原理、以往工程的经验、工程试验的结果等综合考虑布置加强点及冗余杆件。此类工程结构计算时多选用三维分析、协同工作和平面有限元等结构软件加以计算。
（2）转换层分析计算，整体计算完毕后对转换层本身应采用平面有限元计算软件做局部应力的补充计算。进行局部分析时，应考虑转换结构上下楼层是否进入局部计算模型，以及楼层楼盖平面内刚度影响，注意实际结构的三维空问盒子效应，采用符合实际情况的正确计
算模型。框支剪力墙的计算较为复杂， 上部剪力墙需与下面多根柱相连接，如果连接不当会产生很大的计算误差。空间分析程序是以梁柱为基本单元， 而分析底部框支剪力墙时， 剪力墙作为柱单元考虑。计算时宜在上部剪力墙肢与下部框支柱之间均设转换梁， 墙肢与转换梁相连结； 不要只通过拐角刚域连接上层墙肢与底层柱， 结构布置时最好上部墙体、 转换梁、下层柱分别成一体系，这样传力明确，不易形成扭转。
（3）转换大梁的设计，梁式转换层的设计构造要求： 第一， 转换层楼板要将上层结构的水平剪力传递到下层抗剪结构上去，本身承受很大的平面内剪力，同时又承受部分竖向荷载， 因此要求楼板要有足够的强度和刚度。 第二， 转换层大梁是承托上部剪力墙或柱传下来竖向荷载的重要构件，本身受力很大，它是整个结构抗震安全的关键部位。因此，转换大梁的设计在整个转换层结构的设计中至关重要 。
4结束语：本文讨论的只是高层建筑梁式转换层结构的设计和施工方法之一，对高层建筑转换层受力特性还有许多需要研究的地方，在对转换层进行设计时应结合工程实际情况选择合适的方法。该楼转换层通过采用以上方法施工，不但降低了施工难度，节省了施工成本，而且取得了可观的经济效益。开始施工至上部结构全部施工完成时，混凝土表面没有发现任何裂纹经检测混凝土强度满足设计要求，主体结构一次性获优良。
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