基于高层建筑梁式转换层结构设计

基于高层建筑梁式转换层结构设计
王彦彬1  王彦枝1  魏剑侠2
摘要：随着我国经济和社会的快速发展，人民生活水平的不断提高，高层建筑的数量日益增多，功能俱全的高层建筑也越来越多，近年来，国内外的一些著名的超高层均采用了此种结构形式。本文主要探讨了梁式转换层的主要结构形式及受力特点、布置原则、转换梁的截面设计方法、梁式转换层结构转换梁、框支柱及上部剪力墙的设计要点。以便大家参考借鉴。
关键词：高层建筑  转换层  结构设计
1引言
现代高层建筑向着体型复杂、功能多样的综合性方向发展。从建筑功能上看，上部需要小开间的轴线布置和需要较多的墙体以满足旅馆和住宅的功能要求；中部则需要小的或中等大小的室内空间，可以在柱间布置一定数量的墙体以满足办公用房的功能要求；下部需要尽可能大的自由灵活的空间，要求柱网大、墙体尽量少，以满足商店、餐馆等公用设施的功能要求。从结构受力上看，由于高层建筑结构下部楼层受力较小，正常的结构布置应是下部刚度大，墙体多、柱网密，到上部渐渐减少墙、柱的数量，以扩大柱网。这样，结构的正常布置与建筑功能对空间的要求正好相反，因此必须在结构转换的楼层设置水平转换构件，即转换层结构。
目前在工程中应用转换层的主要结构形式有：梁（墙梁）式、厚板、箱形、空腹桁架式、斜杆桁架式和巨型框架等。椐不完全统计，我国高层建筑中，仅带转换层的建筑有几百栋之多。其中梁式转换层的建筑约占75%，板式转换约占11.9%，桁架转换约占9.5%，箱形等占3.6%。可见梁式转换层结构广泛应用于底部大空间剪力墙结构体系中。
2梁式转换层的主要结构形式及受力特点
2.1梁式转换层的主要结构形式
实际工程应用中转换梁的结构形式有多种多样，根据实际工程中转换梁的应用形式、受力特点及其转换梁与上部结构的共同工作形式，可将梁式转换层的结构类型归纳以下几种形式，见图1。

图1  梁式转换层的转换结构类型
2.2梁式转换层的受力特点
梁式转换层结构传力途径采用墙（柱）→转换梁→柱（墙）的形式，具有传力直接、明确和传力途径清楚的优点，梁具有受力性能好、工作可靠、构造简单和施工方便的优点，转换结构计算也相对容易。
国内外的研究表明，作为梁式转换层的主要受力构件——转换大梁，其受力形式与受力大小受上部结构形式、转换梁上下层相对刚度、转换梁的位置等因素的影响，其最终受力状态由墙、转换梁作为一个整体共同弯曲变形和拱的传力作用综合影响。墙、转换梁作为一个整体共同弯曲变形，转换梁处于这整体弯曲的受拉翼缘，若单独分析转换梁，其所受的弯矩由于剪力墙的共同工作而大大降低，同时，由于处于受拉翼缘，应力积分后转换梁中就会出现轴向拉力。由于竖向传力拱作用的存在，使上部墙体上的竖向荷载传到转换梁时，很大一部分荷载以斜向荷载的形式作用于梁上（见图2b），若将这斜向荷载分解为垂直和水平等效荷载形式（见图2c、d），则垂直荷载作用下的弯矩肯定要比不考虑墙体作用时要小（见图2a），在水平荷载作用下，就形成了转换梁跨中一定区域受轴向拉力，而支座区域受轴向压力的现象。

图2  转换梁受力机理（示意图）
3梁式转换层结构的设计要点
3.1梁式转换层结构的布置原则
落地剪力墙和框支柱的布置对于防止转换层下部结构在地震中倒塌将起十分重要的作用。高规规定了几条重要原则：带转换层的筒体结构的内筒应全部上、下贯通落地并按刚度要求增加墙厚；框支剪力墙结构要有足够的剪力墙上、下贯通落地并按刚度比要求增加墙厚；长矩形平面的框支剪力墙结构，抗震设计时，其落地剪力墙的间距比原规程适当加严；比原规程增加了限制落地柱周围的楼板不应错层的规定。这几点的原则是防止转换层下部结构破坏的基本要求，特别是对于抗震设计的结构，要求更加严格。遵守这些原则就可控制刚度突变，减少内力传递的突变程度，缩短转换层上、下结构内力传递途径，保证转换层楼盖有足够的刚度以传递不同抗侧力结构之间的剪力，防止框支柱因楼盖错层发生破坏。
3.2梁式转换层结构的设计要点
由框支主梁承托转换次梁及次梁上的剪力墙，其传力途径多次转换，受力复杂。框支主梁除承受其上部剪力墙的作用外，还需要承受梁传给的剪力、扭矩和弯矩，框支主梁易受剪破坏。这种方案一般不宜采用，但考虑到实际工程中会遇到转换层上部剪力墙平面布置复杂的情况，B级高度框支剪力墙结构不宜采用框支柱、次梁方案；A级高度框支剪力墙结构可以采用，但设计中应对框支梁进行应力分析，按应力校核配筋，并加强配筋构造措施。对于有抗震设防要求的建筑，为了改善结构的受力性能，提高其抗震能力，在进行结构平面布置时，可以将一部分剪力墙落地，并贯通至基础，做成落地剪力墙与框支墙与剪力墙协同工作的受力体系。
高层建筑转换层结构抗侧力结构沿竖向刚度发生突变，转换层楼板要完成上下层剪力的重分配，实际工程中转换层采用梁式转换时，转换层楼板加厚，可以增大转换层的整体刚度，也增大了转换梁的抗扭承载能力。现行规范规定转换层结构框支层应采用现浇楼板，对楼板厚度、混凝土强度等级、配筋、钢筋接头等方面做了详细规定，并要求与转换层相邻楼层的楼板也应适当加强。
3.3转换梁的截面设计方法
目前国内普遍采用的转换梁截面设计方法主要有：
1、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TBSA、PKPM系列、TAT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。
2、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》（JGJ3－2002）中，规定“框支梁为偏心受拉构件，按《混凝土结构设计规范》（GB50010—2002）第7.4.2条的规定设计”，即偏心受拉构件进行截面设计。
3、深梁截面设计方法
实际工程中转换梁的高跨比h/l=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较强，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。
4、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。
5、转换梁截面设计方法的选择
转换梁截面设计方法的选择与其受力性能和转换层的形式相关。
（1）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。
（2）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，且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。
3.4转换梁的设计要点
转换梁的截面尺寸一般宜由剪压比计算确定，以避免脆性破坏和具有合适的含箍率。
转换梁不宜开洞，若需要开洞，洞口宜位于梁中和轴附近。洞口上、下弦杆必须采取加强措施，箍筋要加密，以增强其抗剪能力。上、下弦杆箍筋计算时宜将剪力设计值乘放大系数1.2。当洞口内力较大时，可采用型钢构件来加强。
3.5框支柱的设计要点
框支柱截面尺寸一般系由其轴压比计算确定。
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、1.25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，框支柱轴力可不调整。
3.6上部剪力墙的设计要点
上部剪力墙布置时，应注意其整体空间完整性和延性，注意外墙尽量设置转角翼缘，注意门窗洞口尽量居于转换梁的跨中，应尽量避免无连梁相连的延性较差的秃墙。转换梁上墙体竖向钢筋在转换梁内的锚固长度，抗震设计时不应小于lae,非抗震设计时不应小于la。
4结论与建议
1.带转换层高层建筑结构布置复杂，要充分重视概念设计，要对转换层结构的应力集中处作细部处理和适当调整。
2.设计中要保证底部大空间有充分的刚度，做到强化下部，弱化上部，结构设计与建筑协调，争取尽可能多的剪力墙落地，必要时也可以在别的部位设置补偿的剪力墙。
3.设计中应保证转换梁有足够刚度，一般应使转换梁高度不小于跨度的1/6，对转换梁进行设计配筋后还应按深梁公式进行配筋设计验算。
4.为有效地降低转换梁的截面尺寸，可在转换梁承受剪力较大的部位（支座区段）加腋，以提高其抗剪承载力；
5.转换梁属于偏心受拉构件，设计中应考虑到框支剪力墙的这种工作特性，当没有条件详细分析转换梁及其附近剪力墙时，应按构造加强框支墙的边缘及转换梁的轴向抵抗强度；
6.设计中要严格控制框支柱的轴压比和柱端抗剪强度，调整框支柱剪力，并相应调整框支柱的弯矩及柱端梁的剪力、弯矩。