1、1高层建筑梁式转换层结构设计要点探析摘要：近年来，由于建筑使用功能和使用舒适需要，比如住宅中上部采用剪力墙结构，底部需要大空间的架空层，因而要对竖向构件进行部分转换，而梁式转换由于其受力直接明确、施工简单可靠应用最为广泛，本文根据实际工程设计经验，首先介绍了梁式转换层设计的原则，然后探析了梁式转换层结构设计要点，最后提出了设计的注意事项。 关键词：梁式转换层，结构设计。 中图分类号：TU318 文献标识码： A 文章编号： 一、梁式转换层设计的原则 高层建筑物的刚度因为建筑转换层的设置而导致发生突变,转换层上下在水平地震荷载作用下易形成薄弱环节, 最常见的是发生侧向刚度突变和楼层受剪承载力突变
2、，因此高层建筑在进行转换层设计时, 应充分考虑以下几个基本原则: 1.1 为了计算分析设计和施工实施的便利, 选择转换层结构形式及布置转换构件时应具有明确传力路径，尽量采用主梁直接转换，少用二级次梁转换，避免三级次梁转换; 1.2 为了控制发生突变的结构刚度变化量，需进行转换的竖向构件尽可能减少，转换构件的分布也不要过于集中; 1.3 转换层设计的刚度能够满足建筑物安全和经济即可, 不需要设置过大; 21.4 在充分保证建筑物使用要求的基础上, 尽量降低建筑中转换层的结构高度, 从而提高整体建筑稳定性能。减少转换层高度亦对减少刚度突变的影响有很大好处。 二、梁式转换层结构设计要点 2.1 转换
3、梁的截面设计 普通梁截面设计方法。直接取用高层建筑结构计算分析程序(如 PKPM 系列、midas Building 等)计算出的转换梁内力结果，按普通梁进行受构件承载力计算。 偏心受拉构件截面设计方法。在高层建筑混凝土结构技术规程中，规定“框支梁为偏心受拉构件，按混凝土结构设计规范规定设计，即偏心受拉构件进行截面设计。 按偏心受拉构件进行截面设计的关键是如何将有限元分析得到的转换梁截面上的应力换算成截面内力，但这是一种比较麻烦的事情。分析表明，根据转换梁的截面内力(M,N)按偏心拉构件进行正截面承载力计算，根据(V)进行斜截面受剪承载力计算。在没有条件对梁式转换层结构进行有限元分析时，可采用
4、有关表格计算转换梁的截面内力。 深梁截面设计方法。实际工程中转换梁的高跨比 h/1=1/8-1/6，因此转换梁是一种介于普通梁和深梁之间的梁，尤其是框支转换梁，其受力和破坏特征类似于深梁。当转换梁承托的上部墙体满跨或基本满跨时，转换梁与上部墙体之间共同工作的能力转强，此时上部墙体和转换梁的受力如同一倒 T 形深梁，转换梁为该组合深梁的受拉翼缘，跨中区存在很大的轴向拉力，此时转换梁就不能按普通梁进行截面设计，但如果将3倒 T 形深梁的受拉区部分划出来按偏心受拉构件进行截面设计，计算出的纵向受力钢筋的配筋量偏少，不满足承载力的要求。 根据圣维南原理，影响转换梁受力特征的墙体高度应和转换梁的跨度有关
5、，转换梁跨度越大，上部墙体的高度就应取得越高。分析表明:当转换梁承托的上部墙体满跨或基本满跨时，转换梁与上部墙体之间共同工作的能力较强，此时上部墙体和转换梁的受力特征如同一倒 T 形深梁，转换梁为该组合深梁的受拉翼缘，跨中存在很大的轴向拉力，此时转换梁宜按倒 T 形深梁进行截面设计。 应力截面设计方法。对转换梁进行有限元分析得到的结果是应力及其分布规律，为能直接应用转换梁有限元法分析后的应力大小及其分布规律进行截面的配筋计算，假定：(1)不考虑混凝土的抗拉作用，所有拉力由钢筋承担；(2)钢筋达到其屈服强度设计值。(3)受压区混凝土的强度达到轴心抗压强度设计值。 转换梁截面设计方法的选择。转换梁
6、截面设计方法的选择与其受力性能和转换层的形式相关。 托柱形式转换梁截面设计。当转换梁承托上部普通框架时，在转换梁常用截面尺寸范围内，转换梁的受力基本和普通梁相同，可按普通梁截面设计方法进行配筋计算。当转换梁承托上部斜杆框架时，转换梁将承受轴向拉力，此时应按偏心受拉构件进行截面设计。 托墙形式转换梁截面设计。当转换梁承托上部墙体满跨不开洞时，转换梁与上部墙体共同工作，其受力特征与破坏形态表现为深梁，此时转换梁截面设计方法宜采用深梁截面设计方法或应力截面设计方法，目4计算出的纵向钢筋应沿全梁高适当分布配置。由于此时转换梁跨中较大范围内的内力比较大，故底部纵向钢筋不宜截断和弯起，应全部伸入支座。当转
7、换梁承托上部墙体为小墙肢时，转换梁基本上可按普通梁的截面设计方法进行配筋计算，纵向钢筋可按普通梁集中布置在转换梁的底部。 2.2 框支柱的设计与构造要求 地震作用下框支柱内力需调整: 抗震设计时，框支柱的柱顶弯矩应乘以放大系数，并按放大后的弯矩设计值进行配筋; 有地震组合时，一级、二级框支柱承受的地震作用产生的轴力设计计算值分别乘以 1.50, 1.20 的调整放大系数;剪力调整:框支柱承受的地震剪力标准值应按下列规定采用:框支柱的数目不多于 10 根时，当框支层为 1-2 层时，每层第根柱承受的剪力应至少取基底剪力的 2%; 当框支层为 3 层及 3 层以上时，各层每根柱所受的剪力应至少取基
8、底剪力的 3%;框支柱的数目多于 10 根时，当框支层为 1-2 层时，每层每根柱承受的剪力之和应取基底剪力的20%; 当框支层为 3 层及 3 层以上时，每层框支柱承受剪力之和应取基底剪力的 30%;框支柱剪力调整后，应相应调整框支柱的弯矩及柱端梁的剪力、弯矩，框支梁的剪力、弯矩、框支柱轴力可不调整。 框支柱全部纵向钢筋配筋率，抗震等级一级时一不小于 1.1%，二级时不小于 0.9%,三级时不小于 0.8%、四级及非抗震设计时不小于 0.7%。纵向钢筋间距抗震设计时不大于 200mm，且不小于 80mm，全部纵向钢筋配筋率不宜大于 4%。框支柱箍筋应沿框支层全高加密。加密区体积配箍率抗震等级
9、一级、二级不小于 1.5%，三、四级时不小于 1.0%; 框支柱宜5采用复合螺旋箍或井字复合箍，箍筋直径不应小于 10mm，间距不小于100mm 和 6 倍纵向钢筋直径的较小值。非抗震设计时，框支柱宜采用复合螺旋箍或井字复合箍，箍筋体积配箍率不宜小于 0.8%，箍筋直径不应小于 10mm，间距不小于 150mm。框支柱节点区水平箍筋原则上可同柱箍筋配置，当框支梁、转换梁腰筋配置及拉通可靠锚固时，可按构造要求设置水平箍筋、拉筋。 2.3 转换层楼板的设计 由于转换层存在大量的水平力传递，尤其是在薄弱部位和连接部位，如楼电梯井筒周边、转换层洞口、平面角部以及转换梁侧的楼板，在进行有限元分析时，这些
10、地方的楼板往往出现应力较大的情况。因此加强转换层楼板设计也是必要的。转换层楼板设计一般遵循一下原则： 1）转换层应尽量避免开洞，尤其是开大洞，开洞会造成水平力传递的不连续，局部产生应力集中，大大削弱转换层。不可避免开洞时，应加强洞口周边板厚及配筋。 2）加强转换层楼板厚度及配筋。对转换层、转换层上一层、组合平面连接部位、楼电梯洞口周边楼板均采用双层双向拉通钢筋设置，并加大板厚。比如转换层板厚为 200，转换层上一层最小板厚为 120，转换层以上组合平面连接部位、楼电梯洞口周边楼板均加厚至 150。避免因弱连接引起地震中先期破坏。转换层楼板配筋率建议不小于 0.3%，上下楼层加强部位楼板配筋率建
11、议不小于 0.25%，对一些存在多重复杂结构的转换层，也可根据应力分析结果有针对性的对楼板进行加强。 三、设计的注意事项 63.1 施工可操作性和建筑外观要求在设计时应充分加以考虑;比如在一些住宅建筑中为考虑卫生间降板需要，转换层考虑整体降板，保证了施工方便又可以保证楼板的连续性。 3.2 高层建筑转换层设计中转换梁设计占有比例很高, 通常在实际应用中把转换层作为设备层来使用。因此在腹部开口位置和开口相对大小转换梁设计中要加以充分考虑; 3.3 在满足建筑物使用功能要求的基础上,对下部结构应提高其截面尺寸, 增加剪力墙、提高混凝土的强度等级, 尽量避免转换层与下部结构竖向刚度产生突变, 一般转
12、换层混凝土强度等级应不低于 C30； 3.4 根据上部结构与转换梁共同工作的程度, 分析中一般按照完全、部分和没有共同工作三种状态进行, 从而保证梁的支座剪力和跨中弯矩与实际情况比较吻合, 不会偏差太大。 四、结语 从结构上来说, 不论转换层采用梁式、厚板式或箱形等中的任何一种方式, 在进行结构分析设计时, 都要概念明确, 思路清晰, 在计算分析各种转换层结构时, 应选用适宜的的平面或空间有限元程序, 其结果是工作量较小, 效率较高, 同时对某些结果再进行调整也可使其更为理想。普通梁承载力计算、受力性能及构造与转换梁有较大差异, 在转换梁设计中应该谨慎对待, 从而充分保证结构使用安全。 参考文献： 1 JGJ3-2010 高层建筑结构混凝土技术规程. 2GB50010-2010 混凝土结构设计规范 73 GB50011-2010 建筑抗震设计规范 4全国民用建筑工程设计技术措施（2009 年版）混凝土结构册 5 李国胜 简明高层钢筋混凝土结构设计手册（第三版） 6 朱炳寅 建筑抗震设计规范应用与分析
