高层建筑梁、板式转换层结构设计的方法

【摘要】开发商为了增加高层建筑的利用率和提升经济效益，通常将低层作为商铺使用，高层用于办公或居住。由于建筑上下楼层的功能不同，结构形式也有很大差异。结构不同的相邻楼层之间需要设置转换层，一来可以提供更大的室内空间，二来也能够确保高层建筑整体的稳定性。文章以梁、板式转换层为例，首先对转换层受力情况进行了简单分析，随后列举了转换层结构设计中应遵循的两点原则，最后就如何开展科学设计、提高转换层应用效果提出了几点建议。

【关键词】高层建筑；转换层；基本原则；结构设计

1、高层建筑梁、板转换层的结构分析

1.1 底层框支柱和落地剪力墙的受力转换

当底层框支柱和落地剪力墙按等效刚度来分配水平力时，由于框支柱的侧向刚度通常不到剪力墙侧向刚度的1%，所以在进行水平力分担时，框支柱所能分担的水平力是极其有限的，甚至可以忽略不计。但是如果当转换层楼板发生变形时，处在框支柱区域内的底层的水平位移将会达到最大，从而使框支柱实际受到的剪力要比理论分析所得到的剪力大得多。鉴于以上底层框支柱和落地剪力墙的受力特点分析，需要在工程设计时对落地剪力墙和框支柱留有一定的安全储备。

1.2 建筑底部水平力的分配

在普通建筑中，垂直方向上的压力直接作用于建筑底部楼层和地基，由于剪力在传递过程中没有发生明显的改变，在施工阶段只需要做好地基加固工作，就可以保证建筑整体的安全。但是对于高层建筑来说，由于梁、板式转换层的存在，力的传递方式也会受到相应的影响。以垂直方向上的荷载力为例，高层建筑上部荷载力在向下传递过程中，受到梁、板式转换层结构的影响，形成水平分力。这个力平均分布在转換层的平面，可以起到降低建筑结构形变的效果，这也是高层建筑使用梁、板式转换层提升稳定性的机理。

1.3 上下剪力墙的受力关系

以转换层作为分界，上下剪力墙虽然在结构布置上有很大差异，但是楼层剪力和变形曲线都具有高度的相似性。这是因为楼层剪力主要来自于高层建筑各个楼层在水平方向上产生的压力，然后再根据不同楼层上剪力墙的等效刚度进行分配。按照这一受力分配特点，下部剪力墙除了要承担水平力外，还要受到垂直方向上的重力。落地剪力墙需要承担更多的荷载压力，对转换层结构稳定性设计提出了更高的要求。

2、高层建筑梁、板转换层结构设计原则

2.1 平面布局中应遵循的原则

高层建筑底部楼层大多采用比较规则的结构形式，而上部主要是剪力墙结构。在进行平面布置时，需要遵循以下几方面的原则：首先，结构对称原则，要求保证结构偏心率控制在最大误差范围内，东西方向上的刚度中心于南北方向的质量中心，结构偏差应不超过1m。其次，做好上下刚度突变的控制。转换层的高度，也会直接影响刚度突变的发生率。当高层建筑中转换层刚度在中高层以上时，落地剪力墙在多个作用力的影响下，容易出现受弯裂缝。当裂缝发育到一定程度后，框支柱受到的力也会成倍的增加。这些力通过转换层继续传递到附近的墙体上，破坏墙体的稳定性。因此，在梁、板式转换层结构的平面设计上，也要通过适当降低转换层高度，控制突变。

2.2 竖向布局中应遵循的原则

高层建筑转换层的垂直布局上，应重点考虑建筑上下楼层的功能和结构形式，做到兼具灵活性和实用性。首先，增强楼层竖向刚度设计，减小转换层与上下楼层的刚度差。这样一来，转换层不仅可以发挥上下功能楼层的协调和过渡作用，而且也可以作为正常楼层，提高了建筑空间的利用率。其次，对于结构形式比较复杂的高层建筑，需要重点增加屋面梁的厚度，既可以减小地震灾害对高层建筑稳定性的破坏，又可以提高楼层刚度。

3、高层建筑梁、板转换层结构设计的方法

3.1 做好转换层的分析与计算工作

在转换层设计时，需要提前做好充分的计算，以保证高层建筑梁、板式转换层结构的稳定性和安全性。为了提高分析与计算结果的参考价值，需要注意两方面的事项：其一是结合高层建筑的结构模型，计算各楼层的平面刚度；其二是采用科学的计算方法，例如使用有限元计算软件，既可以实现对大量数据的快速计算，又能够降低计算误差。特别是对框架剪力墙结构来说，由于上部剪力墙与多跟柱连接，受力结构相对复杂，使用有限元计算软件，可以将柱结构转换为梁结构，提高转换层的稳定性。

3.2 科学设计转换成结构

梁、板式转换层结构虽然在一定程度上提升了建筑内部空间，但是也存在一定的问题，例如在垂直方向上，转换层结构容易发生刚度突变。通常来说，只要刚度突变控制在一定范围内，不会对高层建筑整体结构的安全产生影响。但是由于刚度突变本身具有不确定性，突变幅度过大会破坏既有的建筑结构，从而引发安全隐患。例如，高层建筑在遇到较强的地震后，梁、板式转换层结构较为薄弱，需要在设计和施工时重点关注。

3.3 拖墙形式转换梁截面设计

如果所选择的设计方法为转换梁承托上部斜杆框架，这时转换梁会受到一种轴向拉力，我们在设计时应考虑到偏心受拉构件，并以此进行截面设计。更具体地说，当转换梁承托上部墙体满跨不开洞时，转换梁和上部墙体会同一时间受力且同一时间作用，而这种同时受力同时作用的形态通常呈现一种深梁形式，此时转换梁截面设计方法比较适宜采用应力截面设计或深梁截面设计，以此得出纵向钢筋应沿全梁高合理分布配置。因此，在开展转换梁截面设计时，需要精确计算转换梁跨能够承受的最大内力，只有确保内力始终小于纵向钢筋的弯折极限，才可以保证转换层结构的安全。

结语：

现代建筑中高层建筑的比例越来越多，转换层作为高层建筑中不可或缺的重要结构，需要根据高层建筑的结构形式、使用功能等，进行科学设计，以提高高层建筑的整体使用质量。梁板式转换层结构设计时，技术人员要做好受力分析，遵循结构设计的基本原则，提高转换层的应用效果。

参考文献：

[1]戴国亮，蒋永生，傅传国，等.高层型钢混凝土底部大空间转换层结构性能研究[J].土木工程学报，2013，36（4）：24-32.

[2]苏建华.高层建筑预应力薄板式及型钢混凝土梁式转换层结构性能与设计研究[D].同济大学，2017.

作者简介：

莫建华，（1986.5-），男，汉族，广西贺州人，硕士研究生，工程师，研究方向：结构设计。