梁式轉換層的設計要點

薛婷怡  王全鳳

(華僑大學土木工程學院  362021)

1、引言

    現代高層建筑向體型復雜、功能多樣、造型新穎的方向發展，為了適應建筑功能的變化，就必須在結構轉換的樓層設置水平轉換構件，即轉換層結構。

    梁式轉換具有傳力路徑清晰快捷，工作可靠，構造簡單，施工方便等優點，文獻…中統計的國內l05棟采用轉換層結構的高層建筑中，有81棟采用了梁式轉換層，占總數的77％，說明梁式轉換層是最常用的轉換層結構形式。

2、轉換層結構的設計要點

    高層建筑轉換層的設計造成建筑物的剛度發生突變在水平地震荷載作用下，轉換層上下容易形成薄弱環節，因此在進行高層建筑轉換層設計時，要注意下述要點：

    2.1應協調上下部分結構布置，盡量減少轉換結構的數量

    上部豎向構件盡可能置于轉換粱靠近支座處，以利于豎向力的傳遞。盡可能減少需結構轉換的豎向構件，直接落地的豎向構件越多，轉換結構越少，轉換層造成的剛度突變就越小，對結構抗震更有利。

    2.2盡量降低轉換層建筑中的高度，提高建筑整體穩定性

    轉換層位置較高時，易使框支剪力墻結構在轉換層附近的剛度、內力和傳力途徑發生突變，并易形成薄弱層，對抗震設計不利，其抗震設計概念與底層框支剪力墻結構有較大差異。文獻[2]中規定，對部分剪力墻結構，轉換層設置高度在8度時不宜超過3層，7度時不宜超過5層，6度時可適當提高。當轉換層位于3層以上時，易使框支剪力墻的層間位移角在轉換層附近發生突變。當必須采用高位轉換時，應控制轉換層下部框支結構的等效剛度，即考慮彎曲、剪切和軸向變形的綜合剛度，這對于減少轉換層附近的層間位移角及內力突變是十分必要的，效果也很顯著。另外，對落地剪力墻間距的限制應比底層框支剪力墻結構更嚴格些。對平面為長矩形的建筑，落地剪力墻的數目應多于全部橫向剪力墻數目的一半。

    2.3保證結構豎向剛度比

    為防止沿豎向剛度變化過于懸殊形成薄弱層，設計中應考慮使上、下層剛度比γ≤2，盡量接近，這樣才能保證結構豎向剛度的變化不至于太大，使上柱有良好的抗側力性能，減少豎向剛度變化，有利于結構整體受力，上下層剛度比計算式

    2.4強化下部，弱化上部

    為保證下部大空間整體結構有適宜的剛度、強度、延性和抗震能力，應盡量強化轉換層下部主體結構剛度，弱化轉換層上部主體結構剛度，使轉換層上下部主體結構的剛度及變形特征盡量接近。可以采用的方法有以下幾種：

    （1）與建筑專業協商，使盡可能多的剪力墻落地，必要時甚至可在底部增設部分剪力墻(不伸上去)。除核心筒部分剪力墻在底部必須設置外，讓兩側各有一片剪力墻落地，這些無疑都大大增強了底部剛度；當剪力墻較多道且考慮抗震時，橫向落地剪力墻數目與橫向墻總數之比不宜少于50％，非抗震時不宜少于30％；此外落地剪力墻的間距不宜大于24m；

    (2)加大底部剪力墻厚度。轉換層以下剪力墻中，核心筒部分的厚度取為600mm，其余部分的厚度取為600mm；

    (3)底部剪力墻盡量不開洞或開小洞，以免剛度削弱太大：

    (4)提高底部柱、墻混凝土強度等級，采用CA5混凝土(框支柱采用C50混凝土)；

    (5)適當減少轉換層上部剪力墻數目，控制剪力墻厚度，并可在某些較長剪力墻中部開結構洞(結構施工完畢后再用填充墻填實)，以弱化上部剛度。

    2.5保證轉換層有足夠的剛度

    設計中應保證轉換層有足夠的剛度，一般應使梁高度不小于跨度的l/6，才能保證內力在轉換層及其下部構件中分配合理，轉換梁、剪力墻柱有良好的受力性能，能較好的起到結構轉換作用。

    2.6應用鋼骨混凝土(SRE)

    新規范提倡采用鋼管柱、鋼骨柱、鋼骨梁等高強和延性好的結構形式，轉換梁、框支柱采用鋼骨結構可以取得良好效果。即減小轉換梁截面，減少轉換層應力集中現象，使結構的豎向剛度和質量布置更均勻合理，減小框支柱的截面，便于建筑平面布置。

3、工程實例

    某高層建筑，建筑高度為40.9m，地上部分共l3層，一、二層為商業用房，三至十三層為住宅；地下室層高4.5m，二層商業用房部分：底層層高4.5m，二層層高4.45m，住宅部分層高為2.9m。此工程為商住合一的高層建筑，除了主體中間部分(電梯間、樓梯間等公共部分)布置成落地剪力墻核心筒，其他部分均不能采用一種結構體系。必須在二層頂采用結構轉換。

    3.1結構選型

    梁式轉換層優點主要表現為設計和施工簡單：轉換構件受力明確，經濟合理性強。內部空間自由暢通，滿足管線布置要求，在轉換梁結構受力較小的部位可以開洞口，容易滿足建筑對功能的要求。

    3.2轉換層結構布置

    由于上部住宅空間劃分很多，所以在轉換層需要設置為二次轉換，即設置轉換主梁和次梁；同時設置了部分短肢剪力墻以滿足建筑功能要求，轉換層結構布置平面。

    3.3構造措施

    首先對整體結構進行概念設計，采用必要的結構構造措施是保證抗震設防要求的重要手段。本工程采用了以下一些構造措施：

    (1)加強底部框支層的剛度和延性。為了減小上下層剛度比，底部兩層核心筒及剪力墻厚度為300mm，3層以上為200mm；混凝土等級CA0，3層以上C35一C25。由于核心筒位置較偏，北向剛度較大，因此在底部南邊位置適當部位增設了短肢剪力墻，使剛心和質心盡量重合，也提高了底部剛度，使其滿足剛度比限值。

    (2)加強轉換層樓板的剛度及延性，確保水平荷載的可靠傳遞，樓板厚度取為180mm，雙層雙向配筋，每層每方向的配筋率為0.25％，加強了整體性。

    (3)短肢剪力墻盡量布置在框支柱上，避免在框支柱間設置剪力墻，墻肢可以長一些，這樣大幅度降低了轉換大梁的彎矩，同時也降低梁高和配筋。選用形式上盡量采用L型、T型，避免使用一字型。

    (4)為加強轉換層的整體協調能力，在轉換層樓面上周邊及內部非門洞口的地方做一些矮墻，墻高伸至窗臺底面。作為一種安全儲備，在計算中未考慮該段墻。

    3.4結構計算

    本工程根據經驗初步選定轉換梁截面，用SATWE進行結構整體計算，得到轉換梁所受設計剪力后，按照該值不大于0.15fobh/O.85校核截面尺寸。轉換層的層高為4.45m，轉換梁的最大跨度為6.5m，大梁截面尺寸為450mm×1400mm，400mm×1400mm，450mm×l l00mm。梁寬度不小于上部墻體厚度(200mm)，梁高度大于梁跨度的l/6，均滿足要求。根據軸壓比確定框支柱主要截面尺寸700mm×900mm，900mm×900mm．850ram×850ram。對于復雜高層建筑，需要考慮扭轉耦聯，還要考慮模擬施工加載，計算發現梁一次加載在結構的大部分位置配筋均多于分層加載配筋。采用SATWE整體分析求出結構頂點位移、層間相對位移、落地剪力墻所分擔的地震剪力，在整體分析的基礎上，取其內力進行人工配筋校核。根據上部結構傳遞給轉換層的荷載，用FEQ對轉換層本身及其上下幾層進行平面有限元分析，對于轉換梁、框支柱在整體計算的基礎上，采用FEQ進行局部有限元精確分析，并按應力校核配筋。對于短肢剪力墻的分析計算，可以參考文獻[8]，另外對于一些結構構件采取以下構造措施：

    (1)框支梁的支座處及上部墻體開門洞附近剪力均較大，箍筋應加密配置；當洞口靠近梁端時，也可采用梁端加腋提高其抗剪承載力，并加密配箍。

    (2)對于二次轉換梁，集中荷載引起應力更加復雜，在相應梁端處增設加腋，作為抗剪的安全儲備。如l9軸線梁在C軸兩側各有一個二次轉換梁，采用巨型加腋。

    (3)框支層上剪力墻洞l：1上部的連梁，設計上要保證強剪弱彎，在連梁內充分配筋，配置交叉斜筋，保證梁內塑性絞的出現。

4、結語

    通過實例分析并結合設計要點，可以得到以下幾點：

    (1)設計梁式轉換層的框支剪力墻結構時，一方面，應該掌握相關理論，運用概念設計的方法，再用計算去驗證概念設計，使設計質量進一步提高。另一方面，合理的結構平面和豎向布置可以從整體上形成良好的抗震體系，保證建筑物的安全性和經濟性。

    (2)在進行結構分析時，要概念明確，思路清晰，利用適合梁式轉換層結構分析的空間或平面有限元程序進行計算，工作量并不會很大，而且對某些結果再進行調整也可使其更為理想。

    (3)對于有二次轉換梁的轉換層，轉換次粱的設置不但減小了轉換主梁的剪跨比，而且因荷載經多次轉換傳遞，導致轉換主梁在剪跨比較小區段較早出現剪切破壞．次梁正交部位截面應變分布復雜，梁端易出現裂縫，且轉換主粱在水平荷載作用下易產生較大扭矩，因此應盡量避免二次轉換，有主次梁的轉換層結構還有待進一步深入研究。

    總之，在帶有梁式轉換層的高層建筑設計中，轉換層設計是結構設計的一個難點，更是不同形式結構體系轉換的關鍵點，設計時應不斷研究和進行方案比較，在可能的情況下做出較優的技術方案才能實現安全、適用、經濟等綜合目標。

參考文獻:

[1]唐興榮．高層建筑轉換層結構設計與施工[M]．北京：中國建筑工業出版社，2002．

[2]JGJ3—2202，高層建筑混凝土結構技術規程[S]

[3]謝益人．轉換層位置及形式對復雜高層結構地震反應的影響[D]．重慶：重慶大學碩士學位論文，2003，11．

[4]徐培福，王翠坤，郝銳坤，等．轉換層設置高度對框支剪力墻結構抗震性能的影響[J]．建筑結構，2000，30(1)：38—42．

[5]熊迸剛，吳曉莉，陳禮建，等．有梁式轉換層的高層建筑結構設計與研究[J]．工業建筑，2001，31(6)：34—36．

[6]王新國．高層建筑梁式轉換層結構設計[J]．福建建筑．2007．4．

[7]羅柳毅．梁式轉換層在高層建筑中的應用[J]．廣東土木與建筑，2000(2)．33—35．

[8]趙兵．如何采用SATWE軟件對帶短肢剪力墻的框支結構進行結構分析[J]．建筑科學，2003，19(5)：51—60．

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：溫紅娟  尚雯瀟  尹維維 編輯 文徑 審核)