探析梁式转换层结构设计

探析梁式转换层结构设计
建筑物某楼层的上部与下部因平面使用功能不同，该楼层上部与下部采用不同结构（设备）类型，并通过该楼层进行结构（设备）转换，则该楼层称为结构（设备）转换层。

目前的高层建筑多为低层商用，上部住宿的多功能要求，在低层商用要求的大空间与上部住宿要求的多墙多柱的小空间之间，往往需要采用一定的结构形式进行转换处理，即加设转换层。

转换层常用的结构形式包括梁式、空腹桁架式、斜杆桁架式、箱形和板式。

转换层在建筑上具有提供大的室内空间；为建筑物提供大的入口；在高层建筑中部提供大空间等功能。

1、转换层的主要结构形式以及设计原则
1.1转换层的主要结构形式目前在工程中应用转换层的主要结构形式有梁式、厚板、箱形、巨型框架等。

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12%。

梁式转换层设计和施工简单，受力明确，转换梁可沿纵向或横向平行布置当需要纵、横向同时转换时，可采用双向梁的布置，一般广泛应用于底部大空间剪力墙结构体系中。

1.2转换层设计原则
1.2.1转换层的竖向布置转换结构可根据其建筑功能和结构传力的需要，沿高层建筑高度方向一处或多处灵活布置，也可根据建筑功能的要求，在楼层局部布置转换层，且自身的这个空间既可作为正常使用楼层，也可作技术设备层，但应保证转换层有足够的刚度，以防止沿竖向刚度过于悬殊对大底盘多塔楼的商住建筑，塔楼的转换层宜设置在裙房的屋面层，并加大屋面梁、板尺寸和厚度，以避免中间出现刚度特别小的楼层，减小震害。

对部分框支剪力墙高层建筑结构，其转换层的位置，7度区不宜超过第5层，8度区不宜超过第3层。

转换层位置超过上述规定时，应作专门研究并采取有效措施。

1.2.2转换层的结构布置研究得出，底部转换层位置越高，转换层上、下刚度突变越大，转换层上、下内力传递途径的突变就越加剧；此外，转换层位置越高，落地剪力墙或简体易出现受弯裂缝，从而使框支柱的内力增大，转换层上部附近的墙体易于破坏。

总之，转换层位置越高对抗震越不利。

底部带转换层结构，转换层上部的部分竖向构件不能直接连续贯通落地，因此，必须设置安全可靠的转换构件。

按现有的工程经验和研究结果，转换构件可采用转换大梁、斜撑、箱形结构以及厚板等形式。

由于转换厚板在地震区使用经验较少，可在非地震区和6度抗震设计时采用，对于大空间地下室，因周围有约束作用，地震反应小于地面以上的框支结构，故7，8度抗震设计时的地下室可采用厚板转换层。

1.2.3转换层的抗震设计
带转换层的高层建筑结构中，由于设置了转换层沿建筑物高度方向刚度的均匀性受到很大的破坏，转换层结构竖向承载力构件不连续和墙、柱截面的突变，导致传力路线曲折、变形集中和应力集中，因此转换结构的抗震性能较差。

为保证设计的安全性，规定部分框支剪力墙结构转换层的位置设置在3层以上时，其框支柱、剪力墙底部加强部位的抗震等级宜按高规规定提高一级采用，己经为特一级时不再提高，提高其抗震构造措施，而对于底部带转换层的框架，核心简结构和外围为密柱框架的简中简结构的抗震等级不必提高。

对转换层的转换构件水平地震作用的计算内力需调整增大；8度抗震设计时，还应考虑竖向地震作用的影响。

2、梁式转换层结构的设计与构造要求
由框支主梁承托转换次梁及次梁上的剪刀墙，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。

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。

2.1转换梁的设计与构造要求
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。

转换梁的混凝土强度等级不应低于C30。

转换梁上、下主筋的最小配筋率非抗震设计时不应小于0.3%，转换梁中主筋宜采用机械连接（同一连接区段内接
头钢筋面接不宜超过全部纵筋面积的50%），转换梁上部主筋至少应有50%沿梁全長贯通，下部主筋应全部贯通伸入柱内。

2.2框支柱的设计与构造要求
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；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。

框支柱全部纵向钢筋配筋率，抗震等级一级时不小于 1.2%，二级时不小于1.0%，三级时不小于0.9%、四级及非抗震设计时不小于0.8%。

纵向钢筋间距抗震设计时不大于200mm，且不小于80mm，全部纵向钢筋配筋率不宜大于4%。

2.3转换梁的截面设计方法
目前国内结构设计工作普遍采用的转换梁截面设计方法主要有：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，假定不考虑混凝土的抗拉作用，所有拉力由钢筋承担钢筋达到其屈服强度设计值。

受压区混凝土的强度达到轴心抗压强度设计值。

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。

结语
高层建筑的转换层结构设计是一项综合性的复杂工程，作为工程结构设计人员，要根据工程的实际情况，选择合理的转换层结构设计方案，严格地进行设计，保证工程的质量和安全。