梁式转换层在高层建筑结构设计中的应用

摘要:本文主要从高层建筑梁式转换层的设计方法着手，对梁式转换层结构的受力原理进行分析，从而使梁式结构转换层的受力更加明了化。

关键词：高层建筑;梁式转换层;受力机理;设计方法 1 概述

随着社会的发展,人民生活水平的提高，我国高层建筑发展开始加速，底部大空间结构的发展使得转换层结构朝着形式多样化、方法多样化、结构受力更有利的方向发展。转换层结构已成为现代高层建筑结构的发展趋势之一。结构转换层设计实现了建筑从小开间的住宅到中等开间的写字间，再到大空间的商场的变化成为可能。梁式转换层结构作为高层建筑中实现垂直转换的常用结构形式。故而本文从高层建筑梁式转换层的结构形式，对高层建筑结构梁式转换层受力机理进行了分析，介绍了几种梁式转换层结构设计方法，同时指出进行转换梁设计时的注意点。

2 梁式转换层结构结构形式和受力机理分析

我们知道，高层建筑结构下部受力比上部大，按常理来说，在高层建筑结构的设计中就要考虑下部的刚度要大于上部结构，采用的措施就是下部增加墙体、增加柱网，而上部逐渐减少墙柱的密度。显然，这在高层建筑设计中是不现实的，因为高层建筑的使用功能对空间要求却是下部大空间，往上部逐渐减小，因此对高层建筑结构的设计就要考虑反常规设计方法。

在《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》（JGJ3-91）中，规范对转换梁的最小高度和宽度作如下规定：框支梁截面的宽度不宜大于框支柱相应方向的截面宽度， 不宜小于其上墙体截面厚度的2 倍， 且不易小于400mm；当梁上托柱时，尚不应小于梁宽方向的柱截面宽度。进行抗震设计时转换梁高不小于其跨度的1/6；非抗震设计时，转换梁高不小于跨度的1/8。从该设计规程中可知，采取这些限制主要是保证转换梁结构的整体刚度，增强结构的可靠性。

梁式转换层结构的传力途径为墙—— 梁—— 柱（墙）的形式，传力直接，便于分析计算。转换大梁的受力主要受上部剪力墙刚度、剪力墙与转换大梁的相对刚度和转换大梁与下部支撑结构的相对刚度影响。为弄清转换梁结构与上部墙体共同工作的性能，转换梁承托层数对其内力的影响进行用有限元程序进行了分析，从分析结果中我们知道，对一般结构转换大梁（跨度小于12m），上部墙体考虑三层与考虑4 层、5 层内力的设计控制内力差异不大于5%，故在分析计算时可只考虑计算3 层。从计算分析不论转换大梁上部墙体的形式如何，只要墙体有一定长度，转换大梁中的弯矩就会比不考虑上部墙体作用要小，同时转换大梁也会有一段范围出现受拉区。主要原因：一是由于转换大梁处于结构整体弯曲的受拉区，应力积分后在转换大梁中就会出现轴向拉力，二是由于上部墙体竖向力作用于转换大梁时形成了拱的传力方式，这样竖向力转变成斜向力作用于转换大梁，从而在转换大梁跨中出现拉力，支座出现轴向压力的情况。 3 转换层结构的设计原则

高层建筑转换层的设计造成建筑物的刚度发生突变，在水平地震荷载作用下，转换层上下容易形成薄弱环节，因此在进行高层建筑转换层设计时，要考虑以下因素：

1）尽可能减少需进行转换的竖向构件，减少转换结构的数量，控制结构的刚度发生突变； 2）在满足建筑物使用要求的前提下，尽量降低转换层在建筑中的高度，提高建筑整体稳定性； 3）要做到强化下部，弱化上部，同时要保证转换层上、下部主体结构的总剪切刚度比满足：

，其

中,分别为转换层上部第i 层和下部第j 层的主体竖向结构总剪切刚度； 4）选择具有明确传力路径的转换层结构形式，便于分析设计和施工实施； 5）在满足建筑物安全和经济的前提下，设计的转换层刚度不宜太大。 4 转换梁结构设计方法转换梁的设计方法主要有：

1）按普通梁进行受弯构件承载力计算，但须采用高层建筑结构计算分析程序TAT、TBSA 或TOWER 等；

2）按偏心受拉构件截面设计方法进行计算，但必须把有限元分析得到的转换大梁的内力转化为截面内力，然后进行正截面承载力和斜截面承载力计算。

3）按深梁截面进行设计，取转换大梁高跨比在1/8～1/6，此时要考虑转换大梁的跨度，一般转换大梁跨度大于12m时，要考虑上部墙体多于3 层进行分析计算，否则计算结果偏不安全。

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4）直接用应力进行计算，利用高精度有限元法计算转

换大梁截面沿高度方向的应力（ σi、τi）假设所有拉力都由钢筋承担，利用以下计算公式进行正截面和斜截面承载力计算： 应力受拉区：应力受压区：

设计剪力：

式中，bi为所计算条带的截面宽度；Δhi为所计算条带的高度；σiσi+1为所计算条带的正应力；τiτi+1为条带边缘的剪应力；m为截面划分的条带数。

5）由剪压比确定转换梁断面转换梁断面可由剪压比控制计算，避免出现脆性破坏，落地剪力墙和筒体结构适宜的剪压比限值见表1。

式中, Vmax为转换梁支座截面最大组合剪力设计值；Fc 表1 落地剪力墙和简体结构适宜的剪压比限值 混凝土强度等级 抗震等级 非抗震设计 一级 二级 三级 C30 0.10 0.13 0.15 0.15 C40 0.09 0.11 0.13 0.13 C50 0.08 0.10 0.11 0.12 （转换梁剪压比为：Vmax/fcbho）

式中，Vmax为转换梁混凝土抗压强度设计值；f为转换梁腹板宽度；ho为转换梁截面有效高度。

在初步确定转换梁断面时可取Vmax=（0.6～0.8）

式中，G为转换梁按简支状态计算分配上部传来的所有重力荷载下支座截面的剪力设计值，当上部结构整体钢度较好且能与转换梁协同工作时取小值，否则取大值。 5 转换梁设计的注意点

1）转换梁设计占高层建筑转换层设计的决大多数在实际应用中，通常把转换层作为设备层来使用。因此，在转换梁设计中要考虑腹部开口相对大小和开口位置。

2） 要充分考虑转换梁与上部结构共同工作的程度，通常分为完全、部分和没有共同工作三种情况来分析，否则会造成梁的跨中弯矩和支座剪力与实际情况发生很大差异。

3） 尽量避免转换层与下部结构竖向刚度产生突变，对下部结构在满足建筑物使用功能要求的基础上，应提高下部结构的截面尺寸，增加剪力墙、提高混凝土的强度等级，一般转换层混凝土强度等级应不低于C30。 4）设计时要充分考虑施工的可操作性和满足建筑外观的要求。 6 结语

本文讨论的只是高层建筑转换层结构设计方法之一，对高层建筑转换层受力特性还有许多需要研究的地方，如板式转换、桁架转换、箱形转换、斜柱转换，巨形框架等转换层的受力特征。随着现代高层建筑平面复杂多样化，在对转换层进行设计时应结合工程实际情况选择合适的方法。

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