高层建筑梁式转换层结构设计思考

导语：高层建筑梁式转换层结构设计思考一文来源于网友上传，不代表本站观点，若需要原创文章可咨询客服老师，欢迎参考。

摘要：随着社会经济的飞速发展，高层建筑已经成为现代社会建筑领域的主要模式，为满足人们生产生活需要，保障人们生活生产的安全性和稳定性，当前高层建筑采用多种结构设计形式进行设计施工，梁式转换层就是其中之一。本文通过分析高层建筑梁式转换层结构设计的设计原理，对梁式转换层结构特点和结构形式设计要点进行阐述，从而尝试解决高层建筑梁式转换层结构设计的重点难点，达到在高层建筑梁式转换层结构设计中作出科学合理设计的目的。

关键词：高层建筑；梁式转换层；结构设计；构造要求

当前社会经济飞速发展的形势下，高层建筑已成为建筑领域主要类型，高层建筑由于结构复杂和具有一定高度，在外观和施工技术上具有较大特殊性，因此在施工上要求更高。为提高高层建筑工程质量，保证稳定性和安全性，高层建筑施工更要注意受力问题，以避免自然灾害如地震对高层建筑造成破坏。而梁式转换层作为高层建筑主要结构形式之一，在提高建筑稳定性和安全性上具有显著优势。

1高层建筑梁式转换层结构

目前城市建筑出现大量高层建筑，且为了满足城市地少人多的特点和建筑功能需要，高层建筑多采用下部（一般1~3层）为大开间商场或公共娱乐场所，上部为小开间民用住宅，不同功能相结合的商住高层建筑模式。由于下部大开间要满足公共使用要求，一般为大柱网、少墙体、相对稀疏的结构设计，上部相对结构密集，因此容易造成上下部之间建筑结构体系存在较大差异，造成受力不均衡，违背了常规竖向结构布置原则，容易造成建筑稳定性和安全性较差。因此，为提高高层建筑稳定性和安全性，针对上下结构体系转换的楼层设计转换层这一形式的出现，满足了高层建筑结构设计要求，主要有桁架转换结构、箱型梁转换结构、梁式转换结构、厚板转换结构和空腹桁架转换结构等。其中梁式转换结构是高层建筑中使用最多的转换层结构形式，在提高高层建筑稳定性和安全性上发挥着重要作用。

2梁式转换层结构特点和结构形式

梁式转换层结构通过利用下部转换大梁，将上部剪力墙落在框支梁上，再由框支柱来支撑框支梁，经由墙—梁—柱（墙）的传力途径缓解上下部结构设计不同造成的受力不均衡的不良局面，提高高层建筑稳定性和安全性。梁式转换层具有传力直接明确，施工较为简单，便于工程分析、计算和设计的特点，被广泛用于底部大空间框支剪力墙结构体系。但如果出现上下轴线布置错位，需要增加较多的转换次梁，就容易造成空间受力复杂的不良局面。根据上部结构形式和受力特点，梁式转换层结构形式可分为以下八种形式（见图1）。

3高层建筑梁式转换层结构的设计原理

高层建筑梁式转换层的设计原理主要有三维设计原理、有限元原理和协同工作原理3种。其中三维设计原理是首要遵循和选择的设计原理，它利用CAD制图的方法，通过使用2个以上不同力学模型，如空间杆—墙板元模型三维空间分析软件，对梁式转换层结构进行分析和计算。它可以保证在高度精准度的基础上更有效地保障结构分析，使设计人员可以准确掌握结构的真实受力状态，提高高层建筑梁式转换层结构的设计效率和设计科学性，从而避免结构设计存在漏洞。有限元原理是在三维设计原理分析计算整体结构后作为补充设计的一种设计原理，主要应用于局部转换层的有限元补充分析，如在拖柱转换结构当中的抽柱框架，就是有限元分析原理应有的、具有代表性的分析对象，在计算方位时要注意，在楼层计算数量取2~4层时，必须保证上部楼高大于下部楼高，只有保证建筑结构能够达到承受并传递荷载的水平，高层建筑的几何构造稳定性水平才能得到有效提高。协同工作原则主要通过统一来自各方向的力，使建筑受力以及承载情况达到稳定，确保建筑各部分可协同工作的一种结构设计原理。它是在三维设计原理、有限元原理2种设计原理的基础上起到全面综合协调的一种设计原理，通过以上3种设计原理的综合支撑，高层建筑梁式转换层的结构设计才能达到科学、合理，确保了高层建筑的稳定性和安全性。

4梁式转换层结构的设计与构造要求

4.1抗震等级的确定。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3—2010）相关规定，建筑工程分为4个抗震设防类别：特殊设防类（甲类）、重点设防类（乙类）、标准设防类（丙类）、适度设防类（丁类）。以某栋22层高层建筑为例，该高层建筑分为地上20层，地下停车场1层，其中1~4层为商住楼层，1层层高5.1m，2~4层层高均为4.2m，5层及以上为住宅楼层，层高为3m。其中4层设置为结构转换层兼设备层，属于工程转换层，其以下楼层为框架—剪力墙结构，其以上楼层即5层及以上为纯剪力墙结构，因此该建筑属于多种结构形式共存的复杂高层建筑。它的抗震等级确定就应该按照《高层建筑混凝土结构技术规程》中对不同结构体系和各部位不同结构构件来确定抗震等级。以上面的22层高层建筑为例，它的转换层设置在4层，已经属于高位转换，那么就应该在框支架抗震级别为2级，在剪力墙底部加强部位为3级的基础上提高1级，以此来保证底部一致并加强底部抗震能力，即框支柱及落地剪力墙抗震提高至1级，转换层（即第4层）及以下落地剪力墙和加强部位提高至2级。而转化层以上（5层及以上）属于纯剪力墙结构，其抗震级别应定为4级。此类“高转换”建筑类型在设计时，在设计软件SATWE中有一个隐含功能，在第一项“参数输入”中输入“转换层所在层号≥3”，就可使框支柱抗震等级自动提高一级。4.2结构平面布局。以22层建筑为例，该高层建筑5层及以上为纯剪力墙结构，在进行剪力墙平面布置上，要求必须符合相关抗震设防要求，达到东西向完全对称，南北向的刚度中心和质量中心偏差不能超过2m，以保证结构偏心率较小。同时核心筒以外的其余剪力墙必须尽量沿周边均匀、分散布置，使一部分剪力墙落地并贯通至基础，使框支墙协同落地剪力墙受力，增强抗扭效果，还必须保证第一自振周期与平动为主的周期比值为0.83，各层最大水平位移与层间位移比值不大于1.4。只有达到以上平面布置和扭转控制要求，才能保证抗扭效果和高层建筑平面布局设计合理。4.3结构竖向布置。高层建筑因结构复杂，特别是有“高位转换”转换层的高层建筑对转换层结构的侧向刚度都有了专门规定：转换层上下等效侧向刚度比宜接近1，不应大于1.3，必须遵循“强化下部，弱化上部”的原则。主要做法有：一是增大底部刚度，除核心筒部分剪力墙在底部必须设置，且使尽可能多的剪力墙落地，必要时在可不增设的部分增设不伸上去的剪力墙。这可通过与建筑专业协商来实现。二是加大底部剪力墙厚度，减少底部剪力墙开洞，避免刚度削弱，主要是通过转换层以下剪力墙核心筒部分厚度为0.4m，其余部分厚度为0.35m来实现。三是通过适当减少转换层上部剪力墙数目，以弱化上部刚度，从而减轻建筑物重量，减少框支梁承受的荷载。四是采用C40、C50等级的混凝土来提高底部柱、墙的混凝土强度等级，加强底部剪力墙厚度，起到“强化底部”刚度目的。高层建筑梁式转换层结构的设计和应用是一项庞大、复杂的设计工程，要求严谨、科学、合理，必须要以建筑的稳定安全为首要考虑要素，因此在结构设计过程中还必须高度重视高层建筑梁式转换层结构设计中要面临的嵌固端设置、受力分析及超高问题等重点难点问题。只有在严格遵循三维设计原理、有限元原理和协同工作原理的基础上开展结构设计，认真做好受力计算，充分考虑结构平面布局、竖向布置和嵌固端的设置等重点难点，才能为高层建筑梁式转换层结构设计出科学合理的设计方案，为高层建筑顺利施工提供最基本指导蓝图。4.4科学分析与计算转换层。在进行高层建筑梁式转换层的结构设计过程中，设计人员可以采用平面有限元的设计软件来科学分析和计算转换层的局部作用力。在该环节中，要求确保转换层的模式与相应计算标准要求相符，并且判断楼盖平面的刚度是否对其造成影响。在具体计算剪力墙的过程中复杂性较强，上端剪力墙同时联系着许多根支柱，如若没能有效相连，就会导致实际计算的结果与实际相差甚远。因为梁柱是空间分析的基本单位，因此在对剪力墙实施分析过程中，可以将其当作梁柱单元。在具体设计环节，设计人员可以将转换梁布设于上层剪力墙与下层支柱间，实现剪力墙与转换梁的相连，不可单纯依靠上层剪力墙与底层柱和拐弯区域，需要有效结合底层柱、中间转换梁以及上部剪力墙，以实现集中作用力，降低产生扭转问题的概率。4.5合理设计转换大梁。在对梁式转换层实施设计过程中需要做到如下几点要求：第一，转换层楼板应当能够有效传递上一层水平作用力至下一层抗剪结构。转换层楼板不但负荷水平荷载，而且还承载部分竖向作用力，因此务必要确保楼板的纵向刚度与厚度符合规定标准要求。第二，转换层起到了传递上层水平荷载至下层抗剪结构的作用，所以其承受着巨大的荷载，关系到整体建筑的抗震能力，具有不可或缺的作用。因此在具体设计环节，工作人员可以采取三维空间分析法来设计转换大梁，将其作为杆件来看待，随后基于对总体结构的分析，结合转换梁所承受的上层荷载来分析转换层自身与其上下基层的平面有限元，进而将梁的配筋确定下来。4.6科学设计转换梁。在实际设计过程中，可以通过计算减压比将转换梁的截面大小确定下来，并且尽量避免在转换梁开洞，如果必须要开洞，那么需要控制洞口边与支座边的间距超出梁截面的高度。此外要想将实际抗剪能力提升，务必要加强处理洞口的上、下弦杆，并且需要确保转换梁的混凝土强度等级不小于C30。在开展非抗震设计过程中，需要确保转换梁的上、下纵向配筋率最小值不低于0.3%；在开展抗震设计过程中，需要确保一、二与特一级规范要求的最小配筋率分别大于0.5%、0.4%、0.6%。对于部分转换梁支座偏心受拉的情况，则需要确保其上部纵向钢筋需要由不少于1/2的沿梁贯通全场，且所有下部纵向钢筋需要直接连通至柱内。4.7框支柱的设计和构造要求。通常而言，框支柱的截面大小主要是通过轴压比来进行计算。在开展抗震设计过程中，需要将系数最大值与框支柱的柱顶弯矩相乘，随后将结果放大后实施配筋，同时要合理调整监理，一旦框支柱数量在10根以下时，且同时在1~2层，各层支柱实际荷载的监理需要不小于2%的基底剪力，如果超过3层，则需要不小于3%的基底剪力；如果框支柱超过10根，框支层为1~2层，则各层根柱荷载的剪力需要20%的基底层剪力，如果超过3层，则需要为30%的基底层剪力。在合理调整框支柱剪力后，还需要调整对应的框支柱弯矩，不过禁止调整支柱轴力。如果抗震等级是1级，则需要确保纵向钢筋配筋率超过1.2%；抗震等级为2级情况下，则需要超过1.0%；等级为4级时，则需要超过0.9%；4级以上时则需要超出0.8%。4.8框支梁的设计。在设计框支梁过程中，其荷载这比较复杂且巨大的作用力，可以将其看作上下层荷载的媒介力量，亦是确保框支剪力墙抗震能力的重要部分，所以其属于一类较为复杂的受力构件，在设计过程中需要具备丰富的设计储备，要求设计人员将整体结构计算出来后，还需要深入开展分析工作。相关研究显示，对于框支梁来说，通常其属于偏心受拉构件，因此务必规范设计，建立成长设计最大数值以及截面高度。由于竖向荷载，梁端是最早受到破坏的部位，所以务必强化其构造措施。对于部分钢筋进入支座的情况，要求配备稳固的锚固。4.9楼板设计。因为转换层的作用在于传递结构上层的水平剪力至下部结构，所以在平面中转换层的楼面承受巨大作用力，楼板极易发生变形，所以必须对其实施加厚处理。一般需要使用180mm以上厚度的现浇板，以便在平面转换层实施剪力重分配，同时强化转换大梁的抗扭能力与侧向刚度。值得注意是，尽量避免在转换层楼板处开直径较大的洞，如果要开洞，还需要将次梁暗梁设计在洞口周围，尽量让楼板开洞位置和外侧边具有较大距离，并且需要加强处理与转换层距离较近的楼板。如果不得不将电梯间或楼梯间设置于大空间部位，还需要将钢筋混凝土墙围成筒体。

5结语

总而言之，近几年国家城市经济快速发展，高层建筑也越来越多，并且随着其外观造型艺术化以及功能多元化的发展，对于高层建筑结构设计要求也越来越高，越来越多超常规的结构涌现出来。其中在该类超常规的混凝土结构中，通常都具有自身重量大、高度高与跨度大等特征，所以对高层建筑结构的梁式转换层结构设计要求也较高。单纯根据以往的设计方法与经验无法保障整体结构的安全，这就要求设计人员能够正确掌握高层建筑梁式转换层结构特点和结构形式，并结合实际情况来采取有效的设计措施，以切实有效地提高整体建筑结构的稳定性与安全性，促使高层建筑行业健康发展。

参考文献

[1]付全．分析高层建筑梁式转换层结构设计原理及其应用[J]．建筑设计管理，2014，31（08）：60-61，64．

[2]於斌．高层建筑梁式转换层结构设计原理及其应用[J]．居业，2015（10）：58-59，61．

[3]刘子健，吴琦锐．高层建筑梁式转换层结构设计原理及其应用[J]．信息记录材料，2018，19（07）：229-231．

[4]谢兴华．有梁式转换层的高层建筑结构设计研究[J]．建材与装饰，2018（28）：74-75．

[5]何荣辉．高层建筑梁式转换层结构设计的实际工程的应用探讨[J]．建材与装饰，2019（15）：119-120．

[6]刘奕明．高层建筑梁式转换层结构设计的要点分析[J]．建材与装饰，2019（13）：91-92．

作者:严扬 单位:晋城市建筑设计院