高层建筑梁式转换层结构设计

高层建筑梁式转换层结构设计

钟向前刘明颖帅聂

四川兴力通建筑工程有限公司四川犍为614400

摘要：目前我国的各项行业在经济不断提升的情况下得到了进一步的发展，尤其以建筑行业的发展最为迅速，建筑行业在满足社会的需求的同时，不断的向着复杂化的方向前进着，这也就使得其结构的形式也就越来越多，转换层设计就是其中的一个。本文将对高层建筑梁式转换层结构设计进行研究和分析。

关键词：高层建筑；梁式转换层结构；设计；

前言：随着城市化的不断发展，高层建筑本就向着复杂的法相发展着，这也就使得原本就很复杂的转换层的设计变得更为复杂的工程。因此，在进行相应的设计过程中，必须结合实际的工程特点和情况，对建筑进行全面的研究计算和分析，进一步选择出科学合理的转换层结构设计方案，，防止问题的出现，从而提高设计和施工效率。

一、高层建筑梁式结构选型

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、高层建筑梁式结构设计实例

本工程位于某市中心城区，是商住合为一体的高层建筑，建筑物总高为65.4m,其中地下1层，主要用途为汽车库和设备用房;1～3为商业用途;4～20层为住宅楼。

1、根据结构选型进而确定设计

因为该工程为商住混为一体的综合性建筑,住宅楼部分分隔空间较多,所以采用剪力墙结构;而底部商业楼需要用到大空间结构,就要将剪力墙结构中的部分剪力墙改为框架结构。这种上部为剪力墙结构,底部为部分框架的剪力墙为框支剪力墙结构。当住宅楼部分剪力墙不能从上到下贯通到基础时，应设置转换层。不同类型的转换层结构优缺点对比如下：

（1）梁式转换层的设计和施工均较为简单,传力较为明确,是目前应用最为广泛的转换型式。它的缺点在于，当上下轴线错位布置时，需增设较多的转换次梁，空间受力较为复杂，此时应对框支主梁进行应力分析。

（2）箱式转换结构的优点在于,转换梁的约束强,刚度大,整体工作效果好,上下部传力较为均匀,并且建筑功能上还可将其作为“设备层”；缺点是转换梁梁中开设备洞较多，施工复杂,且造价较高。

（3）厚板式转换层的优势在于,下部柱网受上部结构布局影响较小,可灵活布置，厚板刚度很大,形成一个承台,整体性较好,而且施工也较为便捷，但由于厚板自重很大,地震作用也大，容易产生震害，并且材料耗用多,经济性也较差。

（4）桁架式转换层的框支柱柱顶弯矩和剪力比其他几种转换型式相对较小，但此法施工复杂程度较高,且对于轴线错位布置时难度较大。

对上述各种结构进行综合分析，梁式转换结构相对其它几种更为经济、可靠，所以该工程选用了带梁式转换层的框支剪力墙结构。

2、抗震等级的确定

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010），本工程为丙类建筑，高度65.4m，所处地区地震设防列度为7度，根据表3.9.3得知框支框架及底部加强部位的剪力墙抗震等级均为二级。又根据10.2.6条对部分框支剪力墙结构，当转换层的位置在3层及3层以上时，其框支柱、剪力墙底部加强部位的抗震等级需提高一级采用。因本工程转换层位置处于结构3层，已属于“高位转换”，根据规范要求，该框支框架与底部加强部位的剪力墙抗震等级均为一级。

3、转换层结构布置

由于上部的住宅楼需分隔空间较多，一次转换难以满足建筑功能的需求，因此本商住楼设置了主梁与次梁的二次转换。

4、构造措施

对整体结构进行概念分析的基础上还需采取必要的构造措施以满足结构抗震设防的要求。本工程采取的构造措施如下：

（1）加强底部框支层的刚度与延性。转换层以下剪力墙与框支柱混凝土等级均取C40；底部剪力墙厚度取350mm，而核心筒部分的厚度则取400mm，并尽量不开洞或开小洞为宜，以免削弱底部结构刚度。考虑到本工程结构不规则，整体性较差，因此在满足建筑使用功能的前提下尽量布置多些落地剪力墙，减少转换构件，还使质心与刚心尽量重合，使其满足转换层结转换层上下楼层侧向刚度比与转换层等效侧向刚度比的要求。

（2）加强转换层楼板的刚度和延性。由于转换层楼板是框支剪力墙结构的分界，上下两部分的受力性能差异较大。上部各片剪力墙结构在外部荷载的作用下基本是按等效刚度比例分配，受力性能效好；而下部框支柱与落地剪力墙由于性能的不同使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，容易造成薄弱层。所以为了确保水平荷载的可靠传递，转换层楼板采用了C35混凝土，楼板厚度为200mm，钢筋采用高强度HRB400级钢筋双层双向布置，配筋率满足每层每向大于0.25%的要求。

（3）结构计算。对于复杂高层建筑，合理选择计算软件在设计过程中非常重要。为了确保计算结果的可靠性，本工程主要应用中国建筑科学研究院编制的2010版PKPM-SATWE进行计算，并用北京迈达斯技术有限公司编制的Midsabuilding2012进行复核。转换层作为整个结构的一个重要组成必须采取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受力分析，并对转换层结构进行局部补充计算。为了保证转换梁柱的传力可靠，转换梁柱中线宜重合；本工程转换梁截面主要为400mmx1200mm，450mmx1500mm，500mmx1500mm几种尺寸，满足规范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，且不宜小于其上端截面厚度的2倍和400mm的较大值的要求；框支柱主要为700mmx900mm，800mmx800mm，800mmx1000mm几种尺寸，满足柱轴压比与规范要求的抗震设计时宽度不宜小于450mm，高度不宜小于转换梁跨度的1/12要求。对于带转换层的复杂高层建筑，除了需考虑扭转耦联作用外，还需考虑模拟施工加载。

结束语：

目前，随着国家的不断进步，经济的不断提神，我国建筑行业虽得到了很大的发展，但是在转换层结构的高层建筑理论方法还处于进一步的完善研究中，为了有效的保证其发挥出应有的作用，在进行相应的结构设计中，必须对方案设计进行不断的对比，选择最为合理的转换层结构类型，并严格按照相关规范进行概念设计，这样才能有效的满足我国建筑行业经济发展的需求，进一步的促进社会的发展。

参考文献：

[1]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

[2]徐培福；复杂高层建筑结构设计[M]；北京；中国建筑工业出版社；2005

[3]黄瑛；带转换层高层结构综合楼设计[J]；铁道标准设计；2005（08）