浅谈高层建筑梁式转换层结构设计

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　　【摘要】本文主要从梁式转换层结构形式、转换层设计原则、梁式转换层结构的设计与构造等方面进行阐述，以供参考。
　　【关键词】高层建筑；梁式转换层；结构设计
　　
　　1 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，应设置转换层。梁式转换具有传力路径清晰快捷，工作可靠，构造简单，施工方便等优点，是目前国内应用最广的转换层结构型式。为此，本文将主要论述高层建筑梁式转换层结构设计，以供参考。
　　2 梁式转换层结构形式
　　2.1 梁式转换层主要结构形式
　　实际工程应用中转换梁的结构形式有多种多样，从跨数上，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、开洞和不开洞及开门洞和开窗洞；从转换梁功能上，可分为托墙和托柱；从转换梁形式上，可分为加腋和不加腋；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。
　　2.2 转换层设计原则
　　2.2.1 为保证转换层有足够的刚度，一般应使梁高度不小于跨度的1/6，以保证内力在转换层及其下部构件中分配合理。
　　2.2.2 须控制框支剪力墙与落地剪力墙的比例，当剪力墙较多且考虑抗震时，横向落地剪力墙数目与横向墙总数之比不宜少于50% ，非抗震时不宜少于30%。
　　2.2.3 转换层结构在高层建筑竖向的位置宜低不宜高。根据《高层建筑混泥土结构技术规程》中规定，对部分剪力墙结构，转换层设置高度8度时不宜超过3层，7度时不宜超过5层，6度时可适当提高。当转换层位于3层以上时，易使框支剪力墙的层间位移角在转换层附近发生突变。
　　2.2.4 为保证下部大空间整体结构有适宜的刚度、强度、延性和抗震能力，应尽量强化转换层下部主体结构刚度，弱化转换层上部主体结构刚度，使转换层上下部主体结构的刚度及变形特征尽量接近。常常采用加大转换层下部主体结构竖向构件（主要是核心筒体）截面尺寸、提高其混凝土强度等级、增设剪力墙等方法来强化下部主体结构的刚度。
　　2.2.5 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定提高一级采用，而底部带转换层的框架―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；在计算转换层转换构件水平地震作用时其内力需调整增大，8度抗震设计时，还应考虑竖向地震作用的影响。
　　2.2.6 带转换层结构计算要求全面、准确。在计算时，应将转换结构作为整体结构，采用符合实际受力变形状态的计算模型进行三维空间整体结构计算分析，可采用有限元方法对转换结构进行局部补充计算。此时，转换结构以上至少要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。整体结构计算需采取两个以上不同力学模型的程序进行抗震计算，还应进行弹性时程分析计算并宜采用弹塑性时程分析校核。高位转换时还应注意对整体结构进行重力荷载下施工模拟计算。8度抗震设防时，转换构件应考虑其上竖向荷载代表值的 10%作为附加竖向地震作用力，此附加竖向地震作用应考虑上下两个方向。
　　3 梁式转换层结构的设计与构造
　　3.1 转换梁的设计与构造要求
　　3.1.1 转换梁的截面尺寸一般宜由剪压比计算确定，以避免脆性破坏和具有合适的含箍率。
　　3.1.2 转换梁不宜开洞。若需要开洞，洞口宜位于梁中和轴附近，且洞口上、下弦杆须采取加强措施，箍筋要加密。在计算上、下弦杆箍筋时，宜将剪力设计值乘放大系数1.2；当洞口内力较大时，可采用型钢构件来加强。
　　3.1.3 转换梁的混凝土强度等级不应低于C30。
　　3.1.4 转换梁上、下主筋的最小配筋率非抗震设计时为0.3％；主筋不宜有接头；上部主筋至少应有50％沿梁全长贯通，下部主筋应有50％沿梁全长贯通，并应全部贯通伸入柱内。
　　3.1.5 转换梁箍筋要求为：梁支座边距柱 0.21n(1n为转换梁净跨)或1.5 h（转换梁的高度）范围内箍筋应加密，加密区箍筋直径不小于10mm，间距不大于 100mm，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％，四级时为 0.6％；非抗震设计时0.5％，上部剪力墙门洞下方（洞宽+2hb）范围内转换梁箍筋也按上述要求加密。
　　3.2 框支柱
　　框支柱截面尺寸一般系由其轴压比计算确定。一级抗震时，框支柱的轴压比控制在 0.7以下；二级抗震时, 应该控制在 0.75以下；三级抗震时, 控制在 0.8以下；非抗震设计时, 控制在 0.85以下。箍筋沿柱全高加密并采用复合箍筋，且不少于ф10@100。框支柱应有部分纵筋伸至框支梁以上的墙体内，延伸长度等于层高以加强上下层的可靠连接。
　　框支柱全部纵向钢筋配筋率，抗震等级一级时不小于1.2％，二级时不小于1．0％，三级时不小于0.9％、四级及非抗震设计时不小于0.8％。纵向钢筋间距抗震设计时不大干200mm，且不小于80mm，全部纵向钢筋配筋率不宜大于4％。
　　3.3 转换梁的截面设计方法
　　3.3.1 偏心受拉构件截面设计方法
　　在（JGJ3―2002）《高层建筑混凝土结构技术规程》中，规定“框支梁为偏心受拉构件，按（GB50010-2002）《混凝土结构设计规范》第7.4.2条的规定设计”，即偏心受拉构件进行截面设计。
　　当转换梁承托上部斜杆框架时，转换梁将承受轴向拉力，则应采用偏心受拉构件截面设计方法。
　　3.3.2 深梁截面设计方法
　　实际工程中转换梁的高跨比h/l=l/8～1/6，因此转换梁是一种介于普通梁和深梁之间的梁，尤其是框支转换梁，其受力和破坏特征类似于深梁。当转换梁承托的上部墙体满跨或基本满跨时，转换梁与上部墙体之间共同工作的能力较强，此时上部墙体和转换梁的受力特征如同一倒T形深粱，转换梁为该组合深梁的受拉翼缘跨中存在很大的轴向拉力，此时转换梁宜按倒T形深梁进行截面设计。
　　该截面设计方法的关键是如何选取倒 T形深梁的截面高度 h以及如何确定截面的内力臂Z。建议按下列步骤确定深梁的截面高度h：
　　（1）转换梁顶以上ln范围内的墙体与转换梁一起组成倒 T形深梁；
　　（2）可取转换梁与上部墙体所组成的卸载拱的高度为深梁的截面高度；
　　（3）取1、2两项的较大值作为深梁的截面高度。
　　计算出作用于倒T形深梁截面上的弯矩M及剪力V后，可按深梁进行截面设计。
　　当转换梁承托上部墙体满跨不开洞时，转换梁与上部墙体共同工作，则可深梁截面设计方法，且计算出的纵向钢筋应沿全梁高适当分布配置。
　　3.3.3 应力截面设计方法
　　对转换梁进行有限元分析得到的结果是应力及其分布规律，为能直接应用转换梁有限元法分析后的应力大小及其分布规律进行截面的配筋计算，假定：1）不考虑混凝土的抗拉作用；2）所有拉力由钢筋承担钢筋达到其屈服强度设计值ƒy；3）受压区混凝土的强度达到轴心抗压强度设计值ƒc。
　　应力截面设计法的步骤：采用高精度有限元法计算转换梁截面沿高度方向的应力（σi，Ti），分别计算出各条带中拉力或压力、剪力，然后对每一个条带进行截面配筋计算。
　　3.4 上部剪力墙的设计与构造要求
　　上部剪力墙在布置设计时，应注意其整体空间完整性和延性、外墙应尽量设置转角翼缘、门窗洞口应尽量居于转换梁的跨中、应避免无连梁相连的秃墙等。另外，上墙体竖向钢筋在转换梁内的锚固长度，抗震设计时不应小于la，非抗震设计时不应小于ln。
　　4 结束语
　　综上所述，本文讨论的只是高层建筑梁式转换层结构设计方法，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。
　　参考文献：
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　　[2]刘丽春，易义东.浅谈梁式转换层结构的设计与构造要求[J].中国新技术新产品，2009，（13）.
　　[3]郑黄鹤.浅析高层建筑梁式转换层结构设计的要点[J].中国建设信息，2010，（02）.

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