高层建筑结构设计中的梁式转换层结构设计探讨

高层建筑结构设计中的梁式转换层结构设计探讨

曾鑫

南京藏龙建设有限公司 江苏 南京 210000

摘要：高层建筑设计中将梁式转换层结构设置在上下楼层结构形式变化位置，利用其受力优势发挥承上启下作用，因此，鉴于梁式转换层结构的功能与重要性，设计中应充分考虑抗震设计、结构布置以及计算分析要求，提高转换大梁、竖向结构、转换层上部框架、楼板与抗震设计效果。

关键词：高层建筑；结构设计；梁式转换层

引言：为提高纵向空间利用率，高层建筑上下结构经常设计为功能不一致，需要通过结构转换层进行受力转换，由于结构受力下变化复杂，属于高层建筑结构设计的重难点。而梁式转换层是目前应用最为普遍的一种转换层形式，其具有受力明确、传力直接、成本低的优势，在多种建筑结构中均可进行应用。为了切实发挥梁式转换层在高层建筑结构中的作用，设计期间应准确掌握其受力特点、设计要求以及设计要点。

1 梁式转换层结构受力特征

高层建筑梁式转换层结构设计中常遇到转换上部为剪力墙或框架结构形式，剪力墙结构需要设置转换梁、框架结构需要设置框支柱支撑转换梁，主要发挥承担上部结构在水平与竖向荷载下产生的作用力。梁式转换层因形式简单（如图1所示）、受力特点存在优势是目前高层建筑普遍选择的转换层形式，其通过墙（柱）—转换梁—柱（墙）路径完成传力，整个过程简单、明确、直接，便于结构设计中进行准确的受力计算，降低设计复杂性与成本；且其组成结构简单，转换梁为核心受力构件，方便内力计算[1]。

图1 梁式转换层结构形式

在转换层上部，将剪力墙与转换梁看作一个整体后，其发生弯曲变形时，能够保证转换梁位置恰好处于受拉翼缘，从而能够发挥降低弯矩作用；在竖向荷载传递过程中，转换大梁直接承受荷载斜向作用，将在竖向等效荷载作用力相同的情况下使弯矩大大降低。若建筑结构上下部分竖向构件为非连续状态，转换层所在位置则是结构发生竖向刚度突变的位置，上下部分结构抗侧刚度出现差异，下部过于薄弱，原则上应减少转换结构设计，通过增加两侧直接落地竖向构件数量，缩小上下部分结构刚度差距。

2 梁式转换层结构设计要求

2.1 抗震设计要求

转换层所处位置越高抗震能力越差，因此，在结构设计过程中对抗震能力有着特殊要求，一方面需要在不影响结构整体刚度情况下提升抗震能力，另一方面需要通过规范材料、结构重要构件、梁高度实现抗震能力的增强。具体来讲，转换梁设置高度应超过其宽度的20%，并且由高等级混凝土材料制成，若高层建筑底部空间体积大，框支剪力墙结构应控制在6层以内；若转换层上下两部分结构之间刚度一致，则无明显的内力变化，可以根据抗震等级要求适当提高转换层高度。但设计中必须严格按照技术规范中给出的要求设计转换柱、剪力墙，两者均应保持中心对称，剪力墙应在中间，从而避免施加荷载后竖向转换构件转化功能效率低情况，增强结构整体稳定性；此外，应适当减少转换构件数量，发挥增强抗震性能的作用[2]。

2.2 结构布置要求

结构布置设计从竖向与平面两个方向展开，竖向布置中明确要求上部结构刚度应小于下部结构刚度，能够有效预防刚度在转换层结构发生突然改变，设计中应尽可能使两部分结构之间的刚度比无限接近于1，但结合以往设计经验来看，转换层下部常出现刚度不足问题，因此，需加强下部结构刚度设计，适当弱化上部结构刚度。具体来讲，在结构设计中可以利用增加底部刚度提高落地剪力墙结构刚度；转换层下部结构可以通过增加厚度提高刚度；减少转换层下部结构剪力墙开洞数量，降低对底部结构刚度的削弱。而在平面布置中，转换层下部结构应为框架剪力墙，上部应设计为纯剪力墙，并且确保所有构件均以对称为设计原则，严格控制中心误差以及刚度误差，避免结构偏心率过大问题；并在设计剪力墙过程中要保障其均匀分散，进而发挥增强整体抗扭性能的作用[3]。

2.3 计算分析要求

计算分析是梁式转换层结构设计的重要环节之一，需要对不同状态下构件的具体受力情况进行计算，为了保证计算结果的准确性与客观性，可以利用三维空间完成结构整体受力计算，模拟出不同受力下结构的变形情况与具体参数；同时，还需根据三维空间完成局部力补充计算，采用方法即为有限元，通常将两层或两层以上结构作为分析模型。在整个计算过程中必须保证所有输入参数的真实性，且计算模型中不能缺少建筑结构中的任何部分，尤其是梁柱、剪力墙等核心结构；计算后将结构与技术规范、国家标准等进行对比，判断是否达到刚度、抗震、传力设计要求；设计中对结构任何一个部分进行调整后，均需要通过反复的计算进行求证，确保各项技术参数准确。

3 梁式转换层结构设计要点

梁式转换层结构设计复杂、内容多，各部分设计中的要点如下：

3.1 转换大梁设计要点

大梁是梁式转换层结构的关键组成部分，其主要功能为承重，承担荷载来自两个部分，即建筑结构上部剪力墙、柱荷载以及传递的力，设计中为预防大梁承载能力不足需要认真进行受力情况计算，准确得出刚度、变形、强度等技术参数后，确定梁的面积以及截面形式；若转换层结构为托住形式，大梁构造设计过程中承托上部结构的框架可以直接选择普通型，截面形式与普通梁一致，但若采用斜杆框架，因轴向会产生拉力作用，设计应参照受拉构件设计要求与标准；若转换层结构为托墙形式大梁构造设计过程中需要考虑承托上部满跨墙体结构是否存在开洞，无开洞情况没有对结构形态产生破坏，其受力特征与深梁相同，设计过程中按照深梁标准确定截面形式。此外，也有设计中需要采用单向梁情况，需要保障大梁完全重合于框支柱截面中心，且结构不应开洞，若不得开洞必须在轴与梁中间附近位置设置，并也要加固上下弦杆，可以设置抗剪箍筋以及纵向钢筋，但也不得忽视对混凝土强度、接头布设、配筋率的要求，否则同样无法保障转换梁承载能力满足需求

[4]。

3.2 竖向结构设计要点

竖向结构的科学设计能够使转换层整体结构得到优化，并且预防刚体发生形变，增强高层建筑抗震性能，保证转换层结构最大程度发挥出价值。因此，在实际设计中，应严格按照国家要求以及高层建筑的实际情况完成层体布设，保证竖向结构得到合理分配；而由于大部分结构为框架剪力墙，在竖向结构的转换梁构造设计中，要合理地增强下部结构墙体的刚度，其中增加厚度是常用方式之一，无特殊要求与特殊情况下，厚度最大可以增加到600mm，厚度的提升可以有效提高墙体的稳定性，同时尽量保持结构的完整性，避免开洞，不得不开洞的情况下要经过反复的受力验算得出开洞尺寸及位置，避免尺寸过大问题，否则将导致转换层出现刚度被削弱情况[5]。

3.3 转换层上部框架设计要点

强柱弱梁是设计梁式转换层上部结构遵循的基本原则，主要因高层建筑中连接转换梁的柱体应力相对集中，要求应按照受力薄弱点标准完成设计。具体来讲，设计中应先考虑转换梁端段在施加荷载后出现的塑性铰，需要通过三维空间、有限元模型等完成不同受力状态塑性铰变化的模拟计算，再结合技术规范中对抗震设计的具体要求确定柱纵向方向上的配筋率以及钢筋间距，保证结构承载能力与安全性，增强高柱的存储功能。以框支柱为例，设计中选择对称形式进行布置，为避免次梁发生多级转换情况，其界面的控制应以轴压比作为标准，并且模拟地震作用下内力变化情况，再确定合理的配筋率。

3.4 楼板与抗震设计要点

在楼板设计上，梁式转换层结构的楼板必须保证刚度、强度符合建筑需求，从而才能够发挥转换层的实际作用，将上层结构受力后产生的水平剪力有效地传输给下部结构，避免因剪力问题导致结构出现变形或开裂等质量缺陷。通常情况下高层建筑梁式转换层所用楼板的最小截面厚度为18mm，但设计中应考虑到楼板日常承受水平剪力以及竖向荷载两个方向力的同时作用，应采取双层、双向方式为楼板配筋，且保证其与转换层为同层，并且落地剪力墙位置设置的楼板严禁开洞，否则楼板结构遭到破坏，承载力将大幅下降；而若楼板材料为高等级混凝土，厚度应控制在200mm以上，楼板配筋率需要在原标准之上提高0.3%。

在抗震设计上，高层建筑由于层数过多常规的梁式转换层结构抗震设计标准并不足以满足要求，主要因刚度以及均匀性会出现变化，常规设计下柱的截面积不足、竖向构件承载能力不达标，无法起到传力作用。而抗震能力是对建筑结构最基本的要求，抗震性能不达标则表示建筑结构存在安全隐患，无法通过验收、也无法正常使用。目前在高层建筑设计中如果有梁式转换层存在，最直接的方式则是提高剪力墙或结构受力构件的抗震性能来达到建筑整体抗震等级要求；且合理选择施工材料，目前混凝土在提高高层建筑剪力墙结构抗震性上具有一定优势；此外，抗震设计必须严格按照国家要求进行，对于抗震等级要求超过9级的高层建筑，应禁止在结构设计当中出现转换层。

结束语：

综上所述，高层建筑结构设计中若带有梁式转换层，将使设计工作更加复杂，为了保证结构设计的科学性、有效性，最大程度规避质量缺陷与安全风险，设计人员必须认真、反复分析国家标准规定的要求以及技术规范标准，设计中多次进行计算验证，保证结构受力状态达到最佳，从而切实发挥出转换层的作用，增强高层建筑整体结构稳定性与安全性。

参考文献：

[1]孟雷.高层建筑梁式转换层结构设计方法[J].工程技术研究,2021,6(19):176-177.

[2]梅素娟.高层建筑梁式转换层结构设计出现裂缝的原因及对策研究[J].中国住宅设施,2021(05):48-49.

[3]李飞.高层建筑梁式转换层结构设计原理及其应用[J].智能城市,2021,7(07):53-54.

[4]严扬.高层建筑梁式转换层的结构设计[J].城市建筑,2021,18(05):119-121.

[5]许凯龙.关于高层建筑梁式转换层结构设计分析[J].中国建筑金属结构,2020(11):72-73.