谈高层建筑中梁式转换层结构设计在实际工程中的运用

吕 革 吴 菲

（四川省建筑设计院，四川 成都 610000）

一、概述

近年来，高层建筑不断增多，建筑立面，功能的转变也日趋复杂，尤其是在高层建筑和超高层建筑当中，其沿高度方向的建筑功能已经不再单一，往往是下部楼层及其裙楼用作商业等用途，而上部楼层则用作商务办公或者住宅等用途。由于这类综合性的建筑功能需求，给整个建筑结构体系提出了更高的要求，使我们建筑结构设计也越来越具有挑战性。象这样一类建筑上部是商务办公或者住宅楼层通常需要布置小开间的轴网，并且需要比较多的墙体来进行分隔；而下部的商业楼层则需要布置间距较大的柱网和比较少的墙体分隔，以满足其对建筑空间的大型、灵活、自由的需求。于是，带转换高层建筑结构体系就此应运而生，并在工程实践中得到了长足的发展。而梁式转换，是此类建筑工程普遍采用的一种转换方式。本文结合工程设计实例对梁式转换层结构设计进行了分析与探讨。

二、梁式转换层高层建筑的主要结构设计概念

2.1 加强梁式转换层及下部结构的刚度，要求梁式转换层上下楼层层刚度基本均匀。

2.2 强化和提高梁式转换层以及下部结构抗震承载能力，避免在地震作用下下部主体结构（框支柱及转换梁等）破坏。

三、工程设计实例

3.1 工程概述

图1 住宅结构平面（墙厚200mm）

某高层商住楼位于绵阳市三台县滨河路涪江大桥南侧。总用地面积约为4800平方米，建筑面积约10万m2。建筑物地上26～30层，地下1层。其中裙房3层为商业，主楼26层为住宅，地下室均为汽车库和设备用房。

3.2 结构选型

1）由于该工程为综合性质较的高层建筑,上下建筑功能不同，需要竖向空间具有不同形式的空间组合。由于3层以上为住宅，所需的空间分隔较多，故采用剪力墙结构，平面布置如图：

2）因为3层下作商业用途，所需要的自由空间较多，故下部采用框架-剪力墙结构，平面布置如图：

图2 二层结构平面

3）在高层建筑结构的底部，当上部楼层部分竖向构件不能直接连续贯通落地时，应设置转换层，形成带转换层高层建筑。结构转换方式较多，以下对箱型、厚板、转换梁三种转换作比较：（1）厚板转换优点是结构整体性较好，但是的刚度突变较大，质量集中，给抗震带来不利，另外混凝土及钢材用量也比较大,增加投资成本（2）箱形转换也是结构整体性好,不管上部结构布置多么复杂,仍能保证上、下竖向构件的有效传力。但是从结构设计角度考虑,内力分析较为复杂,转换层设计的难度相对较大,同厚板相同混凝土及钢材用量较大，不够经济。（3）梁式转换层，优点主要是转换构件受力明确，设计和施工相对较为简单 ,另外相对于前两种转换形式更为经济。内部空间自由畅通，能比较容易满足其它水，电，暖工种的管线布置要求，在转换梁结构受力较小的部位可以开洞口，可满足建筑功能的要求。综上所述，梁式转换相对箱型、厚板更为简单、经济，因此本工程选择了梁式转换的结构转换方式。

4）经过以上的选择，该工程结构形式确定为带梁式转换层的部分框支剪力墙结构。

5）梁式转换层设计

（1）转换、梁柱、墙、板的截面规定：

转换梁：转换层梁的截面高度不宜小于计算跨的1/8。托柱转换梁高度不应小于其上所托柱在梁宽方向的截面宽度。框支梁截面宽度不宜大于框支柱相应的方向的截面宽度，且不宜小于其上墙体截面厚度的2倍和400的较大值。

框支柱：框支柱截面由轴压比确定，截面宽度不应小于450mm;截面高度不宜小于转换梁跨度的1/12。

墙：底部墙厚加强部位不小于200，落地剪力墙和筒体底部墙体应加厚。

板：转换层板厚180mm。

(2)调整转换层及其上下楼层层刚度基本均匀

由于换层结构竖向抗侧力构件的中断，而导致转换层以下的结构抗侧刚度与楼层屈服强度的骤然减小，引起变形集中和能量集聚而极易发生严重破坏。因此我们用增大转换层及其下部结构刚度，来达到转换层及其上下楼层层刚度基本均匀。即设置一定比例的落地剪力墙，并加大落地剪力墙的厚度或提高转换层混凝土强度等级，必要时可增设部分剪力墙。来达到我们调整转换层上下层度基本均匀的目的。换层上下结构的刚度比计算根据《高层建筑混凝土结构技术规程》附录E中的规定

转换层位于3层及以上时可采用等效侧向刚度比:

换层位于3层及以上时其楼层与上层侧向刚度之比:

6)调整转换层上下楼层层刚度的设计措施：

（1）转换层下的剪力墙加厚，并封闭一些洞口，落地剪力墙和中筒外围墙加厚至400mm，在转换层之上减薄

（2）对转换梁的截面也作了适当的加大。

（3）降低转换层之上混凝土强度等级。

(4)底部剪力墙尽量不开洞或开小洞,以免刚度削弱太大。

7)截面的选择

本工程转换层的层高为6.60m,转换梁的最大跨度为7.8m。

（1）框 支 梁 800mm1800mm，1200mm×1800 mm，500mm×1400mm。满足不小于梁计算跨度1/8的要求。

(2)框支柱 1000mm×1300mm，1000mm×1100mm，1000mm×1400mm。满足了不应小于450；不小于转换梁跨度的1/12。

(3)落地剪力墙 400mm

8)转换层结构布置

由于上部为住宅空间分隔比较多，一次转换尚不能满足建筑功能需要，因此设置了二次转换,即设置转换主梁和次梁。转换层结构布置平面如图：

图3 转换层结构平面

5.结构计算

(1)规范规定：

1）宜考虑平扭偶联计算结构的扭转效应，振型数不应小于15

2）框支框架承担的地震倾覆力矩应小于结构总地震力矩的50%

3）侧向刚度比大于0.6

4）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提高一级

（2)加强转换层的计算措施

1）梁式转换层结构属于竖向不规则建筑，应特别重视转换层以及底部加强部位的加强，来体现"强柱弱梁"、"强剪弱弯"、"强底层柱底"、"强底层墙底"等的一系列内力设计值调整系数均应按规范予以考虑

2）抗震计算中，振型数为24个。

（3）抗震等级的确定

本工程6度设防,框支框架抗震等级为二级,剪力墙底部加强部位为二级。由于转换层在3层，属于高位转换，其框支柱、剪力墙底部加强部位的抗震等级应提高一级，因此框支柱、剪力墙底部加强部位的抗震等级应定为一级；而非底部加强部位的剪力墙抗震等级定为三级。

(4）整体分析的计算

带转换层的高层结构是复杂的空间受力体系，必须将转换结构作为整体结构中的一个重要组成部分，应选择能反映结构中各构件的实际受力状况的力学模型，选取合适的三维空间分析软件进行整体结构计算分析。本工程选用以墙元模型模拟剪力墙的SATWE空间有限元软件进行计算。

(5)参数

抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，设计地震分组为第二组，特征周期为0.40S，根据所提供的《工程场地地震安全性评价报告》：多遇地震时水平地震影响系数最大值为0.058，结构阻尼比为0.05。建筑场地类别为Ⅱ类。

(6)计算结果

采用SATWE整体分析求出结构顶点位移、层间相对位移、落地剪力墙所分担的地震剪力，数据如下。

A：结构自振。03周期(s);

T1=2.7021 T2=2.4897 T3=2.1630

第一扭转周期和第一平动周期之比 ：0.8004

B：各楼层中的最小水平地震剪力系数λ

X方向 1.15% Y方向 1.22%

C：有效质量系数：

X方向 99.96% Y方向99.50%

D：与规则性有关的部分指标：

楼层最大层间位移与该楼层层间位移平均值的比值的最大值：

X方向 1.07 Y方向 1.23

楼层侧向刚度与其上与上一层相应塔侧移刚度70%的比值或上三层楼层侧向刚度平均值的80%的比值的最小值为

X方向 1.035 Y方向 1.156

抗侧力结构层间承载力与相邻上一层受剪承载力比值的最小值：1.03

E：最大弹性层间位移角（包括风和地震作用）；

地震作用下X方向 1/1722 Y方向1/1819

风荷载作用下X方向1/2369

Y方向1/2994

F:框支柱的最大轴压比 ：0.59

G:剪力墙承担的倾覆力矩比值 ：

X方向 85.25% Y方向 91.80%

H:转换层与其相邻上层的侧向刚度比：

X方向 0.84 Y方向 0.68

I:转换层下部结构与上部结构的等效侧向刚度比：

X方向 1.06 Y方向 1.03

J:计算时均考虑耦联地震作用，并考虑双向地震作用（计算位移时考虑偶然偏心影响）。

4.计算结果分析：

1）在计算过程中，部分框支梁的抗剪没有满足规范的要求，我们取其内力，人工复核，通过加腋的方式来满足抗剪要求。

2）换层结构上下层刚度比达到比较理想的效果

转换层下部结构与上部结构的等效侧向刚度比：

X方向1.06 Y方向1.03大于规范规定的0.8

转换层与其相邻上层的侧向刚度比：X方向 0.84

Y方向 0.68 大于规范规定的0.6

3）通过以上数据分析，本工程计算结果满足规范的要求。

6.构造措施：

1）但是我们还在抗震构造措施上加强了转换层的设计：

（1）为确保转换梁在斜裂缝出现后，纵筋能起拉杆作用，形成桁架受力体系，底部纵筋不宜在跨内弯起或截断，而应全部伸入支座内，并有可靠锚固；顶部纵筋在跨中附近不宜过早截断，最好通长设置。转换梁截面尺寸较大，沿梁高应配置一定数量的腰筋。它可以提供一定的受弯、受剪承载力，同时，对抑制裂缝的开展，减小温度和混凝土收缩的影响都有一定的作用。因此，在设计框支梁时，加强了配筋。框支梁的上、下纵筋的配筋率一般为0.8%左右，腰筋为16@200，配箍率为0.9%；

（2）框支柱的配筋率一般为1.3%，配箍率为1.64%左右；

（3）转换层的楼板厚为180mm，配10@160双层双向的钢筋，配筋率为0.27%

（4）由于带转换层的高层结构比较复杂，我们在设计过程中采取了在转换层的上层的楼板及剪力墙均采用特别加强加大板厚及配双层钢筋，以利于该层内力的传递和重分布。

结语：

针对梁式转换部分短肢剪力墙结构的高层建筑，上下刚度和质量不均匀，传力途径不直接，转换部位应力复杂的特点，着重研究了梁式转换层的设计方法，从转换梁尺寸选择、转换梁设计与构造要求、框支柱的设计和构造要求等方面阐述梁式转换层结构的设计、计算与构造要求，提供了切实可行的实践经验，对实际工程的设计具有一定的参考价值。

[1]JGJ3-2010.高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[2].GB 50011-2010.建筑抗震设计规范[S].

[3]熊进刚，吴晓莉，陈礼建，等.有梁式转换层的高层建筑结构设计与研究 [J].工业建筑，2001，31(6):34-36.

[4]熊进刚，吴晓莉，陈礼建，等.有梁式转换层的高层建筑结构设计与研究 [J].工业建筑，2001，31(6):34-36.