结构设计高层建筑梁式转换层结构设计要点要求

摘要：梁式转换层结构设计是高层建筑结构设计中的重点，关系到整个建筑结构的安全与使用寿命，本文以桂林北极广场沃尔玛商场结构设计为例，从建筑结构选型、转换层类型及转换层设计要点等方面对梁式转换层结构设计展开了探讨。
关键词：高层建筑；梁式转换层；设计

一、结构选型

根据本商业楼所处位置的抗震强度，综合考虑，该工程根据现行规范可选用框架-剪力墙结构或剪力墙结构，为避免在住宅户内出现影响使用的梁柱，住宅部分采用剪力墙结构。由于该工程住宅部分5~30层户型均相同，且较规则。若按全落地剪力墙结构，计算结果周期、位移、配筋等参数均合理，满足规范要求，楼层层间最大位移与层高之比小于1/1000，最大层间位移与平均层间位移的比值小于1.3，结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比小于0.85，但全落地剪力墙结构不满足1~4层商场大空间使用功能的要求；若将前面商场入口位置的部分剪力墙改为框架柱，按框架-剪力墙结构进行设计，计算结果单体质量偏心较大，结构扭转周期一直为第一周期，最大水平位移和层间位移与该楼层平均值的比值也不满足规范要求，通过加大柱截面的办法来改善其位移情况收效不大，且加大柱截面对上部住宅的影响很大，因此最终采用部分框支剪力墙结构。
转换层的设置会造成建筑物竖向刚度的突变，因此应尽量遵循以下原则：
1、保证主体结构沿竖向刚度均匀，减少需转换的竖向构件，转换构件越少转换层造成的刚度突变就越小，对结构抗震就越有利。
2、避免高位转换，转换层位于3层以上时，层间位移角、剪力的分配及传力路径发生急剧突变，易形成薄弱层，抗震非常不利。因此《高规》规定，部分框支剪力墙结构在地面以上设置转换层的位置，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。
3、当转换层设置在1、2层时，转换层与相邻上层结构的等效剪切刚度比γe1宜接近1，当转换层设置在2层以上时，转换层下部结构与上部结构的等效侧向刚度比γe2也宜接近1。转换层位置较高的高层建筑不利于抗震，为保证结构的安全，在地震作用下落地剪力墙和转换柱应不先于转换层上部结构进入屈服状态，使转换层及以下各层的安全系数大于上部。

二、转换层的主要型式

转换层常见的几种类型：梁式转换层、箱式转换层、厚板式转换层、桁架式转换层等，根据《高规》第10.2.4条的规定，非抗震设计和6度抗震设计时可采用厚板，7、8度抗震设计时地下室的转换结构构件可采用厚板。可见，采用厚板受地震影响比较大，使用时存在较大局限性。目前一般采用的是梁式转换层，即将上部剪力墙设于转换梁上，再由转换柱来支撑转换梁。他的优点是传力方向明确，设计和施工简便，造价低。而箱式转换层的优点是转换梁的约束性强，刚度大，整体受力效果好，其缺点是施工复杂，造价高。此外，桁架等转换型式也因为受力复杂，造价高，施工难度大等原因而较少在工程中得到实际应用。由于需转换的构件不多，结合工程实际情况，最后决定采用梁式转换。

三、转换层主要构件设计要点

1.转换柱设计要点

框支柱全部纵向钢筋配筋率，对于抗震是非常重要的一关。框支柱轴压比计算会确定框支柱截面尺寸。一般情况下抗震等级每个级别都有自己的特别要求，四个等级抗震设计之间的百分比相差很小，设计时必须把握分寸仔细而要精准，间距抗震设计有准确的参照标准。一般情况下大部分纵向钢筋配筋率也有自己确定要求。框支柱箍筋应该沿着框架支柱的层次进行全面加密。而加密区体积配箍率抗震等级各等级不小于一定比率。框支柱应该采用一些复合螺旋箍或井字复合箍，箍筋直径通常保持在一定标准之内，间距也是，与此同时，6倍纵向钢筋直径的较小值。如果不需要抗震设计，框支柱就可以采用复合螺旋箍或井字复合箍，箍筋体积配箍率和箍筋直径也有标准要求。

2.转换梁设计要点

主要规定如下：（1）转换梁与转换柱截面中线宜重合。（2

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）转换梁截面高度不宜小于计算跨度的1/8。框支梁截面宽度不宜大于框支柱相应方向的截面宽度，且不宜小于其上墙体截面厚度的2倍和400mm的较大值。（3）托柱转换梁应沿腹板高度配置腰筋，其直径不宜小于12mm，间距不宜大于200mm。（4）转换梁纵向钢筋接头宜采用机械连接，同一连接区段内接头钢筋截面面积不宜超过全部纵筋截面面积的50%，接头位置应避开上部墙体开洞部位、梁上托柱部位及受力较大部位。（5）转换梁不宜开洞。若必须开洞时，洞口边离开支座柱边的距离不宜小于梁截面高度；被洞口削弱的截面应进行承载力计算，因开洞形成的上、下弦杆应加强纵向钢筋和抗剪箍筋的配置。（6）托柱转换梁在转换层宜在托柱位置设置正交方向的框架梁或楼面梁。

3.转换梁的计算要求

（1）转换梁的承载力一般是由斜截面受剪承载力控制。斜截面受剪承载力主要由混凝土和箍筋承担，梁水平腰筋也能承担一部分剪力，但一般不参与计算，而是作为安全储备使用。因此适当提高转换梁的水平腰筋不仅能减少裂缝的产生，还能加大其受剪承载力。（2）转换梁的正截面受弯承载力计算与普通梁相同。（3）由于上部荷载作用点或荷载作用线经常与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或能满足，还应在开始设计时就尽量使两者重合，有条件的情况下可设置双向转换梁来平衡扭矩。

4.落地剪力墙设计要点

（1）落地剪力墙承担的地震倾覆力矩应大于结构总地震倾覆力矩的50%；（2）落地剪力墙洞口宜布置在墙体的中部；（3）落地剪力墙的间距：非抗震时不宜大于3B和36m；抗震设计时，当底部框支层为1~2层时，不宜大于2B和24m；当底部框支层为3层及3层以上时，不宜小于

1.5B和20m；B为落地墙之间楼盖的平均宽度。

5.转换层及其相邻楼层楼板的设计要点

（1）转换层楼板厚度不宜小于180mm，应双层双向布置，且每层每方向的配筋率不宜小于0.25%，落地剪力墙楼板不宜开洞。（2）与转换层相邻楼层的楼板也应适当加强。

6.转换层计算要求

转换层只是高层建筑中的一部分，分析计算时，应先进行结构整体计算分析，即将转换层放入整个结构体系中按空间协同工作分析方法、三维空间分析方法或其他有效方法进行整体内力与位移计算。这样能较好的反映结构体系中各杆件对转换层的整体影响，使转换柱的位移和内力更接近实际情况。但由于整体分析时结构杆件较多，不能对转换层进行细化计算，因此难以保证接触面上的变形能完全协调，构件的计算有可能存在误差。由于上述原因，在完成整体计算分析后，还应对转换层进行局部分析，利用平面有限元分析法对转换构件进行详细的应力分析，确保结构体系的整体安全。

四、结束语

在进行高层建筑梁式转换层结构设计时，要概念明确，思路清晰，计算分析各种转换层结构时，应选用适宜的平面或空间有限元程序，以减少工作量，提高效率，同时对某些结果的调整也变得更为理想。普通梁承载力计算、受力性能及构造与转换梁有较大差异，在转换梁设计中应该谨慎对待，从而充分保证结构使用安全。
参考文献：
唐兴荣.高层建筑转换层结构设计与施工[M].北京:中国建筑工业出版社,2002.
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，