探讨高层建筑结构中梁式转换层的设计

摘　要：伴随着我国经济的高速发展，城市建设日新月异，人们对多功能高层建筑的需求也越来越大。梁式转换结构作为高层建筑中能够实现垂直转换的构件得以广泛应用。本文通过对梁式转换层的结构形式与受力特点分析，探讨了梁式转换层结构设计的原则和构造的方法，为相关设计工作者提供一定的参考价值。
关键词：高层建筑；梁式转换层；转换梁；结构设计
随着改革开放的深入和我国社会主义市场经济的快速发展，城市建设的步伐日新月异，人们对高层建筑的需求也越来越多。高层建筑尤其是综合化、体型复杂化的多功能建筑[1]成为城市建设的发展趋向。在同一座建筑中，由于各个楼层被赋予的功能不同，上部楼层可能用于办公，中部楼层用于旅馆、住宅，而下部用于文化设施、商店和餐馆。加之建筑功能对空间的要求与结构的正常布置相反，因此必须在有结构转换的楼层设置转换构件，即转换层结构。梁式转换结构[2]作为高层建筑中能够实现垂直转换的结构形式，以传力直接、作用明显、施工方便等优势在高层建筑中被广泛应用。

　　1.梁式转换层结构形式与受力特点
　　一般来说，高层建筑由于自身结构的特点，下部承受的压力随着高度的增加逐渐变大，因此在高层建筑结构的设计中需要考虑下部结构的承受力比上部结构大。然而，在实际的高层建筑设计中需要考虑反常规设计方法，理由是建筑使用功能对空间要求却是下部大空间，往上部逐渐减小。从《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3－2010)中转换层楼板应满足条件的规定，可以看出为了保证转换梁结构的整体刚度以及可靠性采取的限制措施。
　　1.1梁式转换层结构形式
　　转换梁的结构形式在实际工程应用中是多种多样：(1)从转换梁功能和形式上可分为：托柱和托墙、加腋和不加腋；(2)从跨数上可分为：单跨、双跨和多跨； (3)从转换梁用料上又可分为：钢结构、预应力混凝土、钢筋混凝土及钢骨混凝土等；(4)从上部墙体形式上可分为：开洞和不开洞、开门洞和开窗洞及满跨和不满跨。总的来说，基本原理就是使上部结构能利用下部的转换大梁来支撑。
　　1.2梁式转换结构受力特点
　　梁式转换层结构的传力途径为墙—梁—柱(墙)的形式，具有传力明确、清晰、直接的特点。转换大梁作为梁式转换层的主要受力构件，其受力大小与受力形式受上部剪力墙刚度、转换梁的位置以及下部支撑结构与转换大梁的相对刚度等因素的影响。

　　2.梁式转换层的设计
　　通常情况下，当高层建筑上、下部楼层结构层差异较大，轴线错位或下部楼层竖向结构轴线距离扩大时，就必须考虑用结构转换层来改变楼层布置。转换结构可根据建筑结构的自身特点和功能要求灵活布置，例如布置在楼层局部区域或沿高层建筑高度方向一处、多处布置。
　　2.1转换层竖向布置
　　(l)避免高位转换
　　转换层的布置不能过高，当超过相应的规定时，应作专门分析并采取有效措施。根据文献的论述，当转换层位于3层以上时，由于传力途径、剪力分配及层间位移角的急剧突变而形成的薄弱层对抗震作用非常不利。对于高层建筑中的部分框支剪力墙结构，其转换层的位置，6度时其楼层可适当增加，7度区不宜超过第5层，8度区不宜超过第3层。
　　(2)布置形式
　　根据建筑特点和实际需要，转换层结构的布置形式是多种多样的。转换层结构在沿高层建筑方向可以采取分段布置或者间隔布置。分段布置的方式形成了大框架套小框架的巨型框架结构换结构(Large Frame Structures)；间隔布置则形成析架式或错列墙梁框架结构(Beam or Truss-Staggered Wall Structures)。由于内部是没有支撑障碍的宽敞空间，这种设计必须采用大跨度屋盖结构，即由转换大梁支撑主梁、主梁支撑次梁的三层水平构件的梁系统。
　　(3)侧向刚度比
　　转换层的侧向刚度比受传力途径、剪力的分配及层间位移角变化的影响较大，而这些变化容易形成薄弱层。因此，对侧向刚度比合理的控制一般是取值不大于2，这对提高建筑的抗震性能有很大帮助。
　　2.2结构平面布局
　　(1)周边柱列或角筒上
　　水平转换构件可以布置在平面周边柱列或角筒上，以扩大建筑底层入口，改变上、下层柱列的疏密程度不同的问题。
　　(2)纵横向布置
　　对于要求内部自由空间尽量大的建筑结构，转换梁可沿横向平行布置也可沿纵向平行布置；可采用双向梁的布置，实现纵横向同时转换的需求。
　　(3)悬挑布置
　　围绕巨大芯筒在底层四周自由敞开时，大梁以向两端悬挑的方式布置在两个方向的剪力墙上。
　　(4)与建筑柱网协调布置、相邻层互相垂直布置
　　(5)放射性布置、对角线布置、间隔布置(与相邻层错开布置)等。

　　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
　　一般情况下，转换梁不宜开洞，如果必须要开洞的话，洞口最好设计在梁中和轴附近。转换梁上部主筋全长贯通的比例至少应有50%，下部主筋应全部贯通伸入柱内。非抗震设计时，转换梁上、下主筋的最小配筋率为0.3%；抗震设计时，一、二、三和四级抗震等级分别为0.5%、0.4%、0.35%和0.35%。转换梁中主筋不宜有接头；若存在接头时，应采用机械连接，并保证同一截面内钢筋接头面积不超过主筋截面积的50%，接头位置尽量避开梁上托柱、上部剪力墙及受力较大部位。
　　3.2框支柱的设计与构造要求
　　一般情况下，可通过计算框支柱轴压比的方式确定其截面尺寸[3]。抗震设计时，框支柱配筋需要按柱顶弯矩设计值进行，该设计值由柱顶弯矩乘以放大系数放大后得到；有地震组合时，由于地震作用带给一级、二级框支柱所承受轴力设计值的变化应分别乘以1.50、1.25的放大系数予以调整。
　　抗震等级为一、二、三和四级时，框支柱全部纵向钢筋配筋率分别不小于1.2%、1.0%、0.9%、0.8%。抗震设计时，全部纵向钢筋配筋率不宜大于 4%，纵向钢筋间距的范围是80 mm-200 mm。
　　框支柱应采用沿框支层全高加密的箍筋方式，而框支柱水平箍筋可通过与柱箍筋相互配置的方式完成。
　　3.3转换梁的截面设计方法
　　目前国内转换梁截面设计方法[4]有：普通梁截面设计方法、偏心受拉构件截面设计方法、深梁截面设计方法以及应力截面设计方法。其中应用较为广泛的是应力截面设计方法。
　　应力截面设计方法的步骤如下：
　　(1)用高精度有限元法计算转换梁截面沿高度方向的应力；
　　(2)通过公式分别 计算出各条带中压力、拉力以及剪力；
　　(3)对每一个条带进行截面的配筋计算。
　　3.4转换梁截面设计方法的选择
　　转换梁截面设计方法的选择受到多方面因素的影响，但主要是与转换层的形式和其受力性能有关，转换层的形式主要有托柱形式、托墙形式两种。如何有效选择设计方法需要结构设计者根据实际建筑特征及功能要求综合分析。
　　4.结束语
　　由于受建筑自身特点和建筑功能需求的影响，复杂高层建筑经常出现上、下部分刚度不对称、质量不均匀、传力途径不直接等问题。梁式转换结构作为高层建筑实现垂直转换的常用结构形式，能有效解决这些问题。通过对梁式转换层的结构形式与受力特点的探讨，主要分析梁式转换层结构设计的原则和转换层构造的方法，为相关设计工作者提供一定的参考价值。
参考文献:
[1] 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.
[2] 陈敏明.浅析高层建筑梁式转换层设计施工研究[J]．广东建材，2010(1)．
[3] 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)．
[4] 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(2)．