基于高層建筑梁式轉換層結構設計
王彥彬1  王彥枝1  魏劍俠2
摘要：隨著我國經濟和社會的快速發展，人民生活水平的不斷提高，高層建筑的數量日益增多，功能俱全的高層建筑也越來越多，近年來，國內外的一些著名的超高層均采用了此種結構形式。本文主要探討了梁式轉換層的主要結構形式及受力特點、布置原則、轉換梁的截面設計方法、梁式轉換層結構轉換梁、框支柱及上部剪力墻的設計要點。以便大家參考借鑒。
關鍵詞：高層建筑  轉換層  結構設計
1引言
現代高層建筑向著體型復雜、功能多樣的綜合性方向發展。從建筑功能上看，上部需要小開間的軸線布置和需要較多的墻體以滿足旅館和住宅的功能要求；中部則需要小的或中等大小的室內空間，可以在柱間布置一定數量的墻體以滿足辦公用房的功能要求；下部需要盡可能大的自由靈活的空間，要求柱網大、墻體盡量少，以滿足商店、餐館等公用設施的功能要求。從結構受力上看，由于高層建筑結構下部樓層受力較小，正常的結構布置應是下部剛度大，墻體多、柱網密，到上部漸漸減少墻、柱的數量，以擴大柱網。這樣，結構的正常布置與建筑功能對空間的要求正好相反，因此必須在結構轉換的樓層設置水平轉換構件，即轉換層結構。
目前在工程中應用轉換層的主要結構形式有：梁（墻梁）式、厚板、箱形、空腹桁架式、斜桿桁架式和巨型框架等。椐不完全統計，我國高層建筑中，僅帶轉換層的建筑有幾百棟之多。其中梁式轉換層的建筑約占75%，板式轉換約占11.9%，桁架轉換約占9.5%，箱形等占3.6%。可見梁式轉換層結構廣泛應用于底部大空間剪力墻結構體系中。
2梁式轉換層的主要結構形式及受力特點
2.1梁式轉換層的主要結構形式
實際工程應用中轉換梁的結構形式有多種多樣，根據實際工程中轉換梁的應用形式、受力特點及其轉換梁與上部結構的共同工作形式，可將梁式轉換層的結構類型歸納以下幾種形式，見圖1。

圖1  梁式轉換層的轉換結構類型
2.2梁式轉換層的受力特點
梁式轉換層結構傳力途徑采用墻（柱）→轉換梁→柱（墻）的形式，具有傳力直接、明確和傳力途徑清楚的優點，梁具有受力性能好、工作可靠、構造簡單和施工方便的優點，轉換結構計算也相對容易。
國內外的研究表明，作為梁式轉換層的主要受力構件——轉換大梁，其受力形式與受力大小受上部結構形式、轉換梁上下層相對剛度、轉換梁的位置等因素的影響，其最終受力狀態由墻、轉換梁作為一個整體共同彎曲變形和拱的傳力作用綜合影響。墻、轉換梁作為一個整體共同彎曲變形，轉換梁處于這整體彎曲的受拉翼緣，若單獨分析轉換梁，其所受的彎矩由于剪力墻的共同工作而大大降低，同時，由于處于受拉翼緣，應力積分后轉換梁中就會出現軸向拉力。由于豎向傳力拱作用的存在，使上部墻體上的豎向荷載傳到轉換梁時，很大一部分荷載以斜向荷載的形式作用于梁上（見圖2b），若將這斜向荷載分解為垂直和水平等效荷載形式（見圖2c、d），則垂直荷載作用下的彎矩肯定要比不考慮墻體作用時要小（見圖2a），在水平荷載作用下，就形成了轉換梁跨中一定區域受軸向拉力，而支座區域受軸向壓力的現象。

圖2  轉換梁受力機理（示意圖）
3梁式轉換層結構的設計要點
3.1梁式轉換層結構的布置原則
落地剪力墻和框支柱的布置對于防止轉換層下部結構在地震中倒塌將起十分重要的作用。高規規定了幾條重要原則：帶轉換層的筒體結構的內筒應全部上、下貫通落地并按剛度要求增加墻厚；框支剪力墻結構要有足夠的剪力墻上、下貫通落地并按剛度比要求增加墻厚；長矩形平面的框支剪力墻結構，抗震設計時，其落地剪力墻的間距比原規程適當加嚴；比原規程增加了限制落地柱周圍的樓板不應錯層的規定。這幾點的原則是防止轉換層下部結構破壞的基本要求，特別是對于抗震設計的結構，要求更加嚴格。遵守這些原則就可控制剛度突變，減少內力傳遞的突變程度，縮短轉換層上、下結構內力傳遞途徑，保證轉換層樓蓋有足夠的剛度以傳遞不同抗側力結構之間的剪力，防止框支柱因樓蓋錯層發生破壞。
3.2梁式轉換層結構的設計要點
由框支主梁承托轉換次梁及次梁上的剪力墻，其傳力途徑多次轉換，受力復雜。框支主梁除承受其上部剪力墻的作用外，還需要承受梁傳給的剪力、扭矩和彎矩，框支主梁易受剪破壞。這種方案一般不宜采用，但考慮到實際工程中會遇到轉換層上部剪力墻平面布置復雜的情況，B級高度框支剪力墻結構不宜采用框支柱、次梁方案；A級高度框支剪力墻結構可以采用，但設計中應對框支梁進行應力分析，按應力校核配筋，并加強配筋構造措施。對于有抗震設防要求的建筑，為了改善結構的受力性能，提高其抗震能力，在進行結構平面布置時，可以將一部分剪力墻落地，并貫通至基礎，做成落地剪力墻與框支墻與剪力墻協同工作的受力體系。
高層建筑轉換層結構抗側力結構沿豎向剛度發生突變，轉換層樓板要完成上下層剪力的重分配，實際工程中轉換層采用梁式轉換時，轉換層樓板加厚，可以增大轉換層的整體剛度，也增大了轉換梁的抗扭承載能力。現行規范規定轉換層結構框支層應采用現澆樓板，對樓板厚度、混凝土強度等級、配筋、鋼筋接頭等方面做了詳細規定，并要求與轉換層相鄰樓層的樓板也應適當加強。
3.3轉換梁的截面設計方法
目前國內普遍采用的轉換梁截面設計方法主要有：
1、普通梁截面設計方法
直接取用高層建筑結構計算分析程序（如TBSA、PKPM系列、TAT等）計算出的轉換梁內力結果，按普通梁進行受構件承載力計算。
2、偏心受拉構件截面設計方法
在《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3－2002）中，規定“框支梁為偏心受拉構件，按《混凝土結構設計規范》（GB50010—2002）第7.4.2條的規定設計”，即偏心受拉構件進行截面設計。
3、深梁截面設計方法
實際工程中轉換梁的高跨比h/l=1/8～1/6，因此轉換梁是一種介于普通梁和深梁之間的梁，尤其是框支轉換梁，其受力和破壞特征類似于深梁。
當轉換梁承托的上部墻體滿跨或基本滿跨時，轉換梁與上部墻體之間共同工作的能力較強，此時上部墻體和轉換梁的受力如同一倒T形深梁，轉換梁為該組合深梁的受拉翼緣，跨中區存在很大的軸向拉力，此時轉換梁就不能按普通梁進行截面設計，但如果將倒T形深梁的受拉區部分劃出來按偏心受拉構件進行截面設計，計算出的縱向受力鋼筋的配筋量偏少，不滿足承載力的要求。
4、應力截面設計方法
對轉換梁進行有限元分析得到的結果是應力及其分布規律，為能直接應用轉換梁有限元法分析后的應力大小及其分布規律進行截面的配筋計算，假定：
（1）不考慮混凝土的抗拉作用，所有拉力由鋼筋承擔；
（2）鋼筋達到其屈服強度設計值。
（3）受壓區混凝土的強度達到軸心抗壓強度設計值。
5、轉換梁截面設計方法的選擇
轉換梁截面設計方法的選擇與其受力性能和轉換層的形式相關。
（1）托柱形式轉換梁截面設計
當轉換梁承托上部普通框架時，在轉換梁常用截面尺寸范圍內，轉換梁的受力基本和普通梁相同，可按普通梁截面設計方法進行配筋計算。當轉換梁承托上部斜桿框架時，轉換梁將承受軸向拉力，此時應按偏心受拉構件進行截面設計。
（2）托墻形式轉換梁截面設計
當轉換梁承托上部墻體滿跨不開洞時，轉換梁與上部墻體共同工作，其受力特征與破壞形態表現為深梁，此時轉換梁截面設計方法宜采用深梁截面設計方法或應力截面設計方法，且計算出的縱向鋼筋應沿全梁高適當分布配置。由于此時轉換梁跨中較大范圍內的內力比較大，故底部縱向鋼筋不宜截斷和彎起，應全部伸入支座。
當轉換梁承托上部墻體為小墻肢時，轉換梁基本上可按普通梁的截面設計方法進行配筋計算，縱向鋼筋可按普通梁集中布置在轉換梁的底部。
3.4轉換梁的設計要點
轉換梁的截面尺寸一般宜由剪壓比計算確定，以避免脆性破壞和具有合適的含箍率。
轉換梁不宜開洞，若需要開洞，洞口宜位于梁中和軸附近。洞口上、下弦桿必須采取加強措施，箍筋要加密，以增強其抗剪能力。上、下弦桿箍筋計算時宜將剪力設計值乘放大系數1.2。當洞口內力較大時，可采用型鋼構件來加強。
3.5框支柱的設計要點
框支柱截面尺寸一般系由其軸壓比計算確定。
地震作用下框支柱內力需調整：抗震設計時，框支柱的柱頂彎矩應乘以放大系數，并按放大后的彎矩設計值進行配筋；有地震組合時，一級、二級框支柱承受的地震作用產生的軸力設計計算值分別乘以1.50、1.25的調整放大系數；剪力調整：框支柱承受的地震剪力標準值應按下列規定采用：框支柱的數目不多于10根時，當框支層為1～2層時，每層第根柱承受的剪力應至少取基底剪力的2%；當框支層為3層及3層以上時，各層每根柱所受的剪力應至少取基底剪力的3%；框支柱的數目多于10根時，當框支層為1～2層時，每層每根柱承受的剪力之和應取基底剪力的20%；當框支層為3層及3層以上時，每層框支柱承受剪力之和應取基底剪力的30%；框支柱剪力調整后，應相應調整框支柱的彎矩及柱端梁的剪力、彎矩，框支柱軸力可不調整。
3.6上部剪力墻的設計要點
上部剪力墻布置時，應注意其整體空間完整性和延性，注意外墻盡量設置轉角翼緣，注意門窗洞口盡量居于轉換梁的跨中，應盡量避免無連梁相連的延性較差的禿墻。轉換梁上墻體豎向鋼筋在轉換梁內的錨固長度，抗震設計時不應小于lae,非抗震設計時不應小于la。
4結論與建議
1.帶轉換層高層建筑結構布置復雜，要充分重視概念設計，要對轉換層結構的應力集中處作細部處理和適當調整。
2.設計中要保證底部大空間有充分的剛度，做到強化下部，弱化上部，結構設計與建筑協調，爭取盡可能多的剪力墻落地，必要時也可以在別的部位設置補償的剪力墻。
3.設計中應保證轉換梁有足夠剛度，一般應使轉換梁高度不小于跨度的1/6，對轉換梁進行設計配筋后還應按深梁公式進行配筋設計驗算。
4.為有效地降低轉換梁的截面尺寸，可在轉換梁承受剪力較大的部位（支座區段）加腋，以提高其抗剪承載力；
5.轉換梁屬于偏心受拉構件，設計中應考慮到框支剪力墻的這種工作特性，當沒有條件詳細分析轉換梁及其附近剪力墻時，應按構造加強框支墻的邊緣及轉換梁的軸向抵抗強度；
6.設計中要嚴格控制框支柱的軸壓比和柱端抗剪強度，調整框支柱剪力，并相應調整框支柱的彎矩及柱端梁的剪力、彎矩。