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·132·建筑设计 建筑工程技术与设计2014年4月下梁式转换层结构设计在高层建筑工程中的应用杨超钦（茂名市城建设计院 525000）【摘要】本文结合工程实例，讨论高层建筑梁式转换层结构的设计方法。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。【关键词】建筑结构；结构形式；承载力计算随着我国高层建筑发展加速发展，现代建筑正向着多功能、综合性、大开间、大跨度的方向发展，底部大空间结构的发展使得转换层结构朝着形式多样化、方法多样化及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。1设计原则⑴贯通竖向体系的落地抗侧力构件（如剪力墙、筒、柱）的比例，在非抗震设计时不少于 30%，抗震设计时不少于 50%，并尽可能连结成落地筒体，以提高下部结构体系的整体抗弯、抗剪、抗扭能力。⑵落地抗侧力构件的间距 L，在非抗震设计时 L ＞ 3B（B 为平面宽度）且＜ 36m；6、7 度抗震设计时 L ≤ 2.5B 且≤ 3.M，按 8度抗震设计时 L ≤ 2B 且≤ 24mB。⑶转换层上下楼层剪切刚度之比 y ≈ 1，非抗震设计时 y ≤ 3，抗震设计时 y ≤ 2。Y=(G i+1 A i+1 h i )/(G i A i h i+1 )，A=A W +0.12A C ；式中：G i 、G i+1 为第 i、i+1 层混凝土的剪变模量；A i 、A i+1 为第 i、i+1 层的折算抗剪截面面积；AW 为计算方向上剪力墙全部有效截面的面积；AC 为全部柱截面的面积；h i 、h i+1 为第 i、i+1 层的层高。⑷转换层上、下楼层等效抗弯刚度 EIeg 宜相等。⑸转换层尽量设在低层而避免设在高层，即争取实现低位转换。因转换层一般质量较大，当地震力作用于结构时，高位转换会出现较大惯性力，从而增大对整体结构的不利影响。⑹加强转换层刚度，确保水平荷载的可靠传递。⑺重视构造措施，增强建筑结构的整体性，确：、竖向体系的可靠连接，提高整个结构空间协同工作的能力。2工程设计实例某高层建筑，地下 1 层，地上 22 层，总建筑面积为 25840m 2。1 ～ 4 层为商业用房，1 层层高 5.10m，2 ～ 4 层层高 4.10m，采用框架-筒体结构。5～22层为住宅，层高3.10m，采用剪力墙-筒体结构。这样需要在第 4 层与第 5 层之间设置结构转换层，同时兼作设备层。3结构转换层方案转换层的结构形式可以采用梁式、桁架式、板式、箱形等，这些转换层都可以形成大空间，实现结构类型或轴线的转变。其中梁式转换层受力明确设计和施工相对简单，应用最为广泛；同时，在转换梁受力较小部位可以开设合适的洞口，容易满足建筑功能和设备管线布置的要求。因此，本工程采用梁式转换层。转换层的层高 2.15m，转换梁上、下端与楼板相连，上层楼板厚200mm，下层楼板厚 300mm。转换梁承托上部剪力墙，转换层结构混凝土强度等级为 C40。转换梁的截面尺寸可按式 1 确定： （1）式中：V max ——转换梁截面组合的最大剪力设计值；β c ——混泥土强度影响系数；Y RE ——构件承载力抗震调整系数；fc——混凝土轴心抗压强度设计值；b——转换梁截面宽度；h 0 ——转换梁截面有效高度。本工程转换梁截面尺寸取 b=900mm，h=2500mm。4结构整体分析采用 PKPM、SATWE 进行。转换梁本身是杆件，可直接按梁单元参加到结构整体分析中，梁的轴线定在转换层上层楼板处。为防止沿竖向刚度变化过于悬殊形成薄弱层，设计中应考虑使上、下层刚度比 y ≤ 2，尽量接近 1。 （2）式中：G i 、G i+1 ——底层和转换层上层的混泥土剪变模量；A i 、A i+1 ——底层和转换层上层的折算抗剪截面面积；h i 、h i+1 ——底层和转换层的层高。按此，转换层下层柱子截面尺寸取 1100mm×1100mm，主要剪力墙厚 500mm、450mm，混凝土强度等级 C45；转换层上层四周剪力墙厚 350mm，内剪力墙厚 250mm，混凝土强度等级 C45。按式 2 计算得两主轴 x、y 方向的 γ 值分别为 1.73 和 1.51。计算结果表明，结构前三个自振周期为:x方向，1.537s，0.449s，0.224s；y 方向，1.717s，0.515s，0.275s；层间最大侧移和顶点位移均满足“高层规程 JGJ3-2002”的要求。5转换梁设计转换梁承托上部剪力墙，受力很大，是保证结构安全的关键结构构件。转换梁跨度 8.05 ～ 9.0m，截面高度 2.5m，跨高比3.22 ～ 3.6，属连续短梁。我国混凝土结构设计规范没有明确给出其承载力计算方法，为此，进行了两跨连续短梁的试验研究。5.1 主要试验结果试验梁是转换梁的 1/5 缩尺模型，试验研究结果表明：⑴正截面平均应变基本符合平截面假定。⑵斜裂缝首先在加载点至中支座的内剪跨区段的梁腹中部出现，属腹剪斜裂缝，并最终发展为临界斜裂缝。⑶根据底部纵筋和顶部纵筋沿梁长方向的应变分布。可见，纵筋沿梁长方向的应变分布，在斜裂缝出现前，与弯矩图是一致的；在斜裂缝出现后，则与弯矩图存在较大差别，说明梁内产生了较大的应力重分布；至梁接近破坏时，底部纵筋沿梁长全部处于受拉状态，顶部纵筋在内剪跨内也基本处于受拉状态。⑷试验梁破坏时，内剪跨区段内，穿越临界斜裂缝的箍筋受拉屈服，剪压区混凝土压疏；加载点至边支座的外剪跨区段内，穿越斜裂缝的箍筋应变约为屈服应变的 53%，剪压区混凝土没有压疏。⑸试验梁破坏时，穿越临界斜裂缝的水平腹筋的拉应变约为屈服应变的 50%，可见，水平腹筋没有充分发挥其强度。⑹试验梁的最大相对挠度 f/l=3.42/1800=1/526，说明转换梁有足够的抗弯刚度。5.2 承载力计算转换梁斜截面受剪承载力主要由混凝土和箍筋承担，水平腹筋对斜截面受剪承载力有一定贡献，约占 11%。因此，可不考虑水平腹筋的作用，将其作为安全储备。建议斜截面受剪承载力按式 3 计算：v 0a 1 02h1.58= bh +0.471+RAVSγνλ냃 （3）式中 : λ——计算剪跨比；f 1 ——混泥土抗拉强度设计值；f yv ——箍筋抗拉强度设计值；A RV ——配置在同一截面内箍筋个肢的全部截面面积；S——箍筋的间距；b——转换了截面宽度；h 0 ——转换梁界面有效高度。5.3 有关构造要求根据试验结果⑶，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，最好通长布置。转换梁截面尺寸较大，沿梁高应配置一定数量的水平腹筋。水平腹筋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作用。转换梁截面尺寸一般由剪压比控制。根据试验结果，并参照薄腹梁和深梁的截面尺寸限制条件，建议转换梁截面尺寸应满足式⑴的要求。 6结束语带转换层的高层建筑，转换层的下部楼层由于设置大空间的要求，其刚度会产生突变，一般比转换层上部楼层的刚度。杓剖庇Σ扇〈胧┘跎僮徊闵、下楼层结构抗侧刚度及承载力的变化，以保证满足抗风、抗震设计的要求。转换构件为重要传力部位，应保证转换构件的安全性。在工程实践中，对于如何合理选用结构转换形式，似乎尚未有统一的准则，笔者认为需根据具体情况作出具体分析，一般情况下首先应考虑满足建筑功能需要，其次是兼顾建筑美观的要求，最后是经济合理性。