高层建筑结构转换梁工作机理剖析

高层建筑结构转换梁工作机理剖析

发表时间：2019-06-19T10:47:57.773Z 来源：《基层建设》2019年第8期作者：陈治森

[导读] 摘要：高层建筑结构中梁式转换结构具有受力合理、传力直接，传力途径清楚，在国内外带转换高层建筑结构中应用最为普遍。

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摘要：高层建筑结构中梁式转换结构具有受力合理、传力直接，传力途径清楚，在国内外带转换高层建筑结构中应用最为普遍。本文介绍了转换梁的工作机理、提出了现有软件对于梁轴向受力承载力的计算建议，通过案例分析得出需要考虑转换梁与上部墙体的共同工作应该作为主要力学概念进行考虑，并根据实际计算结果进行构造设计。

关键词：梁式转换；工作机理；共同工作；构造设计

1 前言

随着我国现代经济的蓬勃发展，高层建筑的大量涌现，逐步朝着建筑体型复杂和功能多样化方向发展。同一建筑集合了商场、办公楼以及住宅等多样化功能需求，往往要求结构开间呈现上小下大的布置，导致了建筑结构竖向构件布置不连续，需要在竖向不连续楼层处设置水平转换构件，以保证结构受力的可靠传递。

近年来，国内外高层建筑发展迅猛，其建筑向着体型复杂、功能多样的综合性方向发展，从20世纪70年代中后期，国内开始尝试使用底层大空间剪力墙结构。结合建筑功能上部住宅、下部商业的要求，上部布置柱支非满跨剪力墙，下部布置框支柱、转换梁。这种柱支剪力墙梁式转换结构转换受力比较合理、传力比较直接，正愈来愈得到广泛应用。

对于我国的高层建筑发展情况，转换层结构的研究始于上个世纪70年代左右，上海天目路建成了第一幢12层框支剪力墙住宅，并作了一系列试验研究工作。到现在短短的四十多年时间，梁式转换结构的工程应用发展迅猛，并且出现了箱型梁、厚板、桁架和斜柱等新型转换结构形式，主要转换形式如图1所示。但是作为主流转换结构中的梁式转换，其受力原理如何、有什么影响因素、现象软件能否分析的明白透彻，将是我们工程师需要重点考虑的问题。

（a）梁式转换形式（b）板式转换形式（c）箱式转换形式

（d）斜腹杆桁架转换形式（e）空腹桁架转换形式（f）斜柱式转换形式

图1 转换层结构的主要形式

2 对于高层建筑结构转换梁工作机理剖析

2.1 现有软件对于梁轴向受力承载力的计算建议

对于规则结构，水平构件的承载力验算只考虑竖向荷载的作用一般能满足要求。对于不规则的结构，往往尚需验算水平力作用下的水平构件承载力。目前工程界主要是把楼板作为主要水平构件，验算了楼板在水平荷载作用下的承载力，对于楼面梁依旧只是验算其在竖向荷载作用下的抗弯承载力。实际上，由于楼板与楼面梁为整体浇筑，在水平力作用下，楼面梁同样会产生轴向变形和弯曲变形。

一般而言，采用诸如ETABS、MIDAS/Gen等有限元软件建模时，梁、柱、斜撑等构件采用梁（线）单元，剪力墙、楼板等构件采用壳（板）单元。梁（线）单元与壳单元通过相交的结点进行连接，ETABS中可以通过指定线约束来协调梁与板的变形，MIDAS/Gen需通过细分网格，通过网格与梁单元相交的结点协调变形。壳单元的实质是一层薄膜，ETABS与MIDAS/Gen默认的处理方法是把楼板中面作为薄膜，即梁与楼板的相交结点均在楼板中面上。图2、图3分别是ETABS与MIDAS/Gen中默认的楼板与梁的计算模型：

图2 ETABS默认计算模型

图3 MIDAS/Gen默认计算模型

从图2可以看出，ETABS程序默认是梁顶面中心点与楼板的中面连接，此计算模型较符合实际，但程序在计算梁的内力时，只对梁单元的截面进行积分，没有计入楼板翼缘的影响，极有可能导致梁内力失真。可以通过楼板采用膜单元同时人工输入梁的刚度放大系数来解决此问题；从图3可以看出，MIDAS/Gen程序默认是梁的截面中心（几何中心）与楼板的中面连接，此模拟方法计算得到的梁轴力较接近实际，但计算得到的梁弯矩失真，可以考虑通过人工输入梁刚度放大系数来解决此问题。综上，当采用ETABS默认的方法建模时，建议楼板采用膜单元，同时人工输入梁的刚度放大系数；当采用MIDAS/Gen默认的方法建模时，建议楼板采用板单元，同时人工输入梁的刚度放大

系数。

2.2 转换梁工作机理概念分析

对于梁式转换类型中的满跨墙体转换梁结构，由于转换梁与上部结构剪力墙紧密相连（能起到整体现浇的效果），转换梁的变形、受力受到上部剪力墙结构的直接制约和影响，二者必有共同作用。这种相互作用无论在竖直上还是在水平上，都能改变梁的受力性能，使转换梁与一般受弯梁的受力相差很大，也使上部剪力墙的受力特性有所变化。

当上部剪力墙有一部分墙体直接作用在框支柱（梁）上时，墙体的一部分荷载直接传递给框支柱，剪力墙的受力性能将有较大改变，因此这种情况下的转换梁受力分析应考虑与上部墙体的共同工作，同时也应考虑墙体的实际受力状态，提出正确的墙体设计计算方法，更重要的是需要认识到这个正确的概念受力，才能得到更加合理的符合实际的结果。

3 案例分析

3.1 模型的校对

对某一高层建筑结构案例，首层（5.4m）转换，标准层（42层）层高3.0m，结构高度131.4m。转换梁为1500x2400，转换柱为1500x1500mm，跨度为12000mm，砼等级为C60，上层剪力墙墙厚为250mm，其中平面布置图见图4所示。

图4 案例平面布置图

其中框架柱在恒载作用的轴力见表1所示，从转换柱Z1、ZZ1、Z4、ZZ4在模型SATWE为20390KN、19342KN、16351KN、23231KN，与MIDAS/GEN和ETABS的计算结果十分接近，三个软件的计算结果的比值在0.97~1.07之间波动，可见该模型具有代表性。

表1 恒载作用下的转换柱轴力

3.2 考虑上部结构作用的梁变形对比分析

在恒载作用下，计算程序SATWE常用放大刚度100倍考虑，此时只是在宏观上把控，为更好的剖析转换梁的工作机理，现不放大梁的刚度，按SATWE本算计算的刚度考虑。而MIDAS/GEN和ETABS考虑了上部结构（剪力墙）的共同作用进行对比分析。结果显示在恒载作用下的转换梁跨中竖向变形的数值见表2所示。

转换梁L1为满跨布置剪力墙，在SATWE分析时竖向荷载作用下的变形为1.93，在MIDAS/GEN和ETABS为1.48和1.51mm，可见MIDAS/GEN和ETABS考虑上部结构的共同作用，使得梁L1的竖向刚度增加，变形减少。MIDAS/GEN和ETABS两个软件的计算结果十分接近。对于L5上部结构只有部分剪力墙，结果显示上部结构的参与贡献程度比较小，可见上部结构的贡献程度是随着满布情况呈现成正相关的关系。

表2 在恒载作用下的转换梁跨中竖向变形对比

3.3 考虑上部结构作用的梁应力分析

利用MIDAS/GEN程序，划分单位为0.4m，墙满跨布置（L1）在恒载作用下的主应力见图5所示。跨中梁底的主拉应力为4.2N/mm2，大于C60的抗拉强度标准值2.87，在考虑梁纵向钢筋后将减小。在转换梁的跨中梁顶，主压应力为3.0 N/mm2，远小于混凝土的抗压强度标准值，满足要求。从L1的主应力分布图和数值显示是满足平截面假定的。

图5 满跨梁L1在竖向荷载作用下的主应力分析

4 结论

设计计算时是否需要考虑转换梁与上部墙体的共同工作为主要力学概念。对于满跨墙体转换梁，其工作机理为，转换梁与上部墙体都明显共同工作，能显著增大转换梁的竖向刚度，减小变形。同时墙体在支座附近有较大的剪应力，即应力集中的表现，在设计时应该根据计算的结果，作出合理的构造设计。

参考文献：

[1]单传华.带梁式转换层结构的分析及转换梁的优化设计[D].河海大学，2007.

[2]魏琏，王森，韦承基.高层建筑转换梁结构类型及计算方法的研究[J].建筑结构，2001（11）：7-14.