高层建筑梁式转换层结构设计分析

黄靖宇

摘要：高层建筑竖向的不同功能的使用要求，使得高层建筑“底层大空间、高层小空间”的结构要求越来越多，使得转换层的存在成为了一种必然。本文明确提出转换层主要设计要点，重点分析梁式转换层的结构设计。主要从梁式转换层的构件转换梁、框支柱、落地剪力墙、上层剪力墙、上层框架和楼板各专业数据进行考究，对工程设计和施工有一定的参考意义。

关键词：高层建筑；转换层；转换梁；结构设计

1.概述

现代高层建筑向多功能和综合用途发展，在同一竖直线上，顶部楼层布置住宅、旅馆，中部楼层作办公用房，下部樓层作商店、餐馆和文化娱乐设施。不同用途的楼层，需要大小不同的开间，采用不同的结构形式。建筑这种布置方式很好地解决了竖向交通、人流流向等问题，因此被建筑师所青睐而得到大量应用。但从结构角度讲，这种布置方式容易造成竖向抗侧力构件的不连续、楼层侧向刚度及楼层受剪承载力的突变，这些均为结构设计的不利因素。

建筑功能“底层大空间、高层小空间”的要求与结构的合理、自然布置正好相反，因为结构下部楼层受力很大，即正常应当下部刚度大、墙多、柱网密，到上部逐渐减少。为了满足建筑功能的要求，结构必须以与常规方式相反进行布置，上部小空间，布置刚度大的剪力墙，下部大空间，布置刚度小的框架柱，或者框架柱加部分剪力墙落地的结构，这种情况下，部分剪力墙在底部变为框架。为此，必须在结构转换的楼层设置转换层，称结构转换层。

2.转换层结构设计要点

高层建筑竖向功能的变化，使得结构有变化，由于竖向抗侧力构件的中断，而导致转换层以下的结构抗侧刚度与楼层屈服强度的骤然减小，引起变形集中和能量集聚而极易发生严重破坏。从这点出发，带转换层高层建筑的主要结构设计要点为：

1）避免结构沿竖向刚度突变

加强转换层及其下部结构刚度，要求转换层及其上下楼层层刚度基本均匀。即必须设置一定比例的落地剪力墙，并加大落地剪力墙的厚度或提高混凝土强度等级。对于底层大空间层可通过提高混凝土强度和加大竖向构件（框支柱、落地剪力墙）尺寸等措施来提高楼层的抗推刚度，使上下层刚度比达到规范要求。

转换层上下结构的刚度比计算根据《高层建筑混凝土结构技术规程》附录E 中的规定：

位于3 层及以上时可采用等效侧向刚度比：

γe2= Δ2H1/Δ1H2≥0.8

转换层位于3 层及以上时其楼层与上层侧向刚度之比：

γ1=ViΔi+1/ Vi+1Δi ≥0.6

2）应尽量强化和提高转换层以及下部结构抗震承载能力，避免罕遇地震作用下下部主体结构（框支柱、转换梁等）破坏，同时应注意保证转换层上部1层～2 层不落地剪力墙的承载能力和延性，避免重力荷载和罕遇地震作用下不落地剪力墙根部的破坏；注意和加强下部框架梁、上部连梁的延性，适应罕遇地震作用下的塑性铰发育发展耗能的需要。

3）为确保底部大空间各楼层的抗震可靠性，在计算时将底层水平力全部由落地剪力墙来承担，各片剪力墙之间按其等效刚度比例分配相应承担的水平力，而所有框支柱至少承担20%的楼层剪力，框支柱的柱端弯矩应按调整后的剪力计算。

4）为了保证转换层楼板的刚度和强度，使其更好地传递水平力，转换层楼板的厚度不宜小于18 cm，并且应双向双层配筋，每层每一方向配筋率不小于0. 25%。转换层楼板厚度具体见第三部分。

5）框支柱的截面最小宽度宜等于框支梁宽度，且框支柱轴压比最小值应比同等级框架柱降低0. 1。

3.梁式转换层结构设计分析

3.1 转换梁

在《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3- 2002）（以下简称《高规》）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，且不宜小于400mm；当梁上托柱时，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。

实际上，转换梁的截面尺寸一般宜由剪压比控制计算确定，以避免脆性破坏和具有合适的含箍率。其中梁宽应≥max {2 倍上部剪力墙厚度；400mm}，梁高≥1/6 计算跨度。

对于转换梁的设计，应不宜开洞，若需开洞，洞口宜尽量远离框支柱边，宜位于梁中和轴附近。

转换梁的纵筋配筋构造要求、箍筋构造要求以及钢筋接头与锚固要求均应按《高规》第10.2.8条、10.2.9 条执行，实际工程设计中，考虑转换梁受力为偏心受拉，所以应适当加大梁下部纵向受拉钢筋的配筋量，并适当增加构造配箍率，避免罕遇地震下转换梁剪切破坏，以保证安全。

3.2 框支柱

1）框支柱要求比一般框架柱有更大的延性和抗倒塌能力，所以对轴压比有着更严格的要求。框支柱截面尺寸一般是由轴压比计算确定的（Nmax为框支柱最大组合轴力设计值，包括地震作用下轴力调整）；框支柱截面高度应≥max {1/12 转换梁跨度；450mm}。

2）除框支柱地震剪力需进行调整外，为进一步提高框支柱的承载能力，应按《高规》第10.2.12 条对框支柱的弯矩、轴力、剪力乘以增大系数后，进行框支柱的截面设计。

3）框支柱纵筋在转换层内不宜设接头，若需设置，接头率应≤25%，且接头位置离开节点区≥500mm，接头采用可靠的机械或焊接连接。

3.3 落地剪力墙

1）落地剪力墙的截面尺寸应按规范7.2.1 条控制并满足墙体的稳定计算要求，并应按《高规》第7.2.2.6 条要求控制剪压以及《高规》第7.2.14 条要求控制轴压比。

2）落地剪力墙底部加强部位的墙身分布筋的最小配筋率、直径与间距等要求均应按《高规》第10.2.15 条执行；墙体两端宜设置翼墙或端柱，并应按《高规》第7.2.15 条、7.2.16 条设置约束边缘构件以提高落地剪力墙的延性。

3.4 上层剪力墙

上部剪力墙布置时，注意外墙尽端尽量设置翼缘，注意门窗洞口尽量居于转换梁跨中，应尽量避免无连梁相连的延性较差的单片墙。满足上述条件的转换结构上部剪力墙轴压比限值建议按下表1控制。

3.5 上层框架

1）上层框架尤其转换层上层框架梁柱受力复杂，应力集中，设计时应重点加强。抗震设计时应将柱底截面组合弯矩值增大1.5（一级）、1.25（二级）、1.15（三级），其他内力调整系数可按框架或框剪结构有关规定执行。上层框架柱轴压比限值也应适当从严控制，建议按表2执行。

2）上层框架梁纵向钢筋的构造要求应注意与转换梁共同工作形成整体空腹桁架的工作特性，下部纵筋在柱支座内的锚固、搭接按受拉钢筋要求执行。其余框架梁、柱及节点的抗震设计措施、构造要求均按框架或框剪结构相应要求并适当从严执行。

3.6 转换层楼板

1）转换层楼板应按照局部应力有限元分析结果进行截面设计，一般控制小震作用下板内的主拉应力不超过混凝土轴心抗拉强度设计值，中震作用下板内钢筋不屈服。楼板厚度不宜小于180mm，应双层双向配筋，配筋率不宜小于0.25%；落地剪力墙周围不宜开大洞，且在楼板边缘、孔洞边缘结合边梁设置予以加强，其宽度不宜小于2 倍板厚，纵筋配筋率不应小于1%。

2）相邻转换层楼板厚度不宜小于120mm，宜双层双向配筋，配筋率不宜小于0.2%，且需在楼板边缘、孔洞边缘结合边梁设置予以加强。

4.结论

高层建筑功能上使用多样化，使得内容空间各不一样，柱距的不同要求，使得转换层构造的出现成为工程上的一种必然结果。转换层构造能够满足上下刚度和质量不均匀，传力途径不直接，转换部位应力复杂这些特点。其中梁式转换层在各高层建筑上使用广泛，专业技术要求较高，对工程规范要求较高。梁式转换层的设计要点上，从主要构件转换梁、框支柱、落地剪力墙、上层剪力墙、上层框架和楼板各专业数据进行考究，对工程设计和施工有一定的参考意义。

参考文献：

[1]JGJ3-2002 高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[2]唐兴荣.高层建筑转换层结构设计与施工[M].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[3]魏琏.高层建筑转换梁结构类型及计算方法的研究[J].建筑结構，2001（11）.

[4]高层建筑梁式转换层结构的设计方法与经验[J].建筑与结构设计，2012（05）