浅谈高层建筑梁式转换层结构的设计方法

　　【摘要】以现有梁式转换层设计理论为基础，通过分析梁式转换的结构形式和受力特点，得到梁式转换结构设计的受力性能与设计原则。着重从转换梁、框支柱、上部框架等设计和构造要求等方面阐述梁式转换层结构的设计方法和技巧。实践证明，此方法对高层建筑梁式转换层结构的设计是行之有效的。
　　关键词：高层建筑结构；转换层；设计；构造要求
　　1梁式转换的主要结构形式及受力特点
　　1.1梁式转换的主要结构形式
　　根据实际工程中梁式转换的应用形式、受力特点及其转换梁与上部结构共同工作形式，可将梁式转换层的结构类型归纳为框支转换(对上部剪力墙的转换)和框架转换(对上部框架柱的转换)两大类。
　　1.2梁式转换的受力特点
　　（1）框支转换
　　以单片框支剪力墙的实腹转换梁为例，在竖向荷载作用下，框支剪力墙转换层的墙体有拱效应，两支座处竖向应力大，同时有水平向应力(推力)，跨中则会出现拉应力。框支梁就像是拱的拉杆，在竖向荷载下除了有弯距、剪力外，还有轴向拉力。拉力沿梁全长不均匀，跨中处大，支座处减小。框支柱除受有弯距、轴力外，还承受较大的剪力，如图1所示。
　　一般情况下，设计假定剪力墙平面外抗弯刚度为零或很小，框支梁与框支柱或框支梁与其上的墙体截面中心线宜重合。此时，可将该片框支剪力墙按平面结构进行有限元计算分析，计算模型与结构实际受力状态基本一致，计算结果是正确可靠的。若框支梁与框支柱或框支梁与其上的墙体截面中心线不重合，偏心距又较大，则转换梁扭距不可忽视，如仍按单榻计算，又未采取合理可靠的构造措施，则肯定存在安全隐患，甚至有可能导致该转换梁的剪力和扭距作用截面的剪压比远大于限值，使梁受剪破坏。此时，应考虑偏心所产生的扭距，或按空间结构进行有限元计算分析，并据此采取合理可靠的构造措施，如在其平面外增设次梁以平衡平面外弯距，加大框支梁截面尺寸或配置抗扭钢筋等。
　　图1框支转换梁的内力
　　（2）框架转换
　　以单棍抽柱框架的实腹转换梁为例，抽柱转换形成的托柱梁在竖向荷载作用下的内力和普通跨中有集中荷载的框架梁相似图2，只不过是梁跨度较大，跨中有很大的集中荷载，故梁端和跨中的弯距、剪力都很大，但基本没有轴向拉力，柱的剪力较小。节点的不平衡弯距完全按相交于该节点的梁、柱刚度进行分配。
　　图2托柱梁弯矩分布示意
　　抽柱转换仅是托梁上下层柱子根数略有变化，其竖向刚度差异不大，故在水平荷载下框支剪力墙转换层和抽柱转换层两者的内力差异很大。托柱梁为弯、剪构件，正截面承载力按纯弯计算，斜截面承载力按受剪计算。其配筋构造和一般梁相同。另外，由于托柱梁上托的是空间受力的框架柱，柱的两主轴方向都有较大的弯距，故设计中除应对此柱按计算配足两个方向的受力钢筋外，还应在垂直于托柱梁轴线方向的转换层板内设置拉梁或暗梁，以平衡柱根部弯距，保证梁平面外承载力满足设计要求。
　　当托柱梁所受柱子传来的集中荷载较大所托层数较多时，宜验算托柱梁柱交接处的混凝土局部受压承载力。
　　2梁式转换层结构的设计与构造要求
　　2.1抗震等级的确定
　　工程转换层以下为框架-剪力墙结构,转换层以上为纯剪力墙结构,是多种结构形式共存的复杂高层建筑,因而不能象单纯的框架结构或剪力墙结构那样笼统地确定抗震等级,而应该严格按照现行规范的不同章节,有针对性地分别确定结构体系各部位不同结构构件的抗震等级.
　　工程属“框支剪力墙”,高度61.2m,6度设防,框支框架抗震等级为二级,剪力墙底部加强部位为三级.考虑到加强底部及保持底部一致的因素,将转换层及其以下各层的一般框架梁和框架柱及转换梁的抗震等级定为二级.由于工程转换层设在建筑4层楼面即结构3层,已属于“高位转换”,框支柱及落地剪力墙的抗震等级应提高一级.因此,框支柱应定为一级抗震,转换层以下落地剪力墙定为二级抗震。转换层以上部分,框支层以上两层仍属剪力墙底部加强区,因此,该两层抗震等级定三级,其中落地的那部分剪力墙由于是“高位转换”,还要提高一级,故其抗震等级应定为二级;而加强层以上的纯剪力墙结构,抗震等级可定为4级。
　　值得一提的是,在设计过程中发现了SATWE的一个隐含功能,即在第一项“参数输入”中,若将“转换层所在层号”定义为≥3层(不含地下室),则计算结果中,所有框支柱的抗震等级会自动提高一级,在WPJX.OUT文件中可查阅.这从另一角度亦可反映“高位转换”中,加强框支柱的必要性。
　　2.2结构竖向布置
　　高层建筑的侧向刚度宜下大上小,且应避免刚度突变.然而带转换层的高层建筑结构显然有悖于此,因此有关文献对转换层结构的侧向刚度作了专门规定.对该工程而言,属于“高位转换”.转换层上下等效侧向刚度比宜接近于1,不应大于1.3.在设计过程中,应把握的原则归纳起来,就是要强化下部,弱化上部.可以采用的方法有以下几种.
　　(1)与建筑专业协商,使尽可能多的剪力墙落地,必要时甚至可在底部增设部分剪力墙(不伸上去).这是增大底部刚度最有效的方法.除核心筒部分剪力墙在底部必须设置外,还与建筑专业协商后,让两侧各有一片剪力墙落地,并且南部还有一大片W形剪力墙也落至基础.这些无疑都大大增强了底部刚度.
　　(2)加大底部剪力墙厚度.转换层以下剪力墙中,核心筒部分的厚度取为400mm,其余部分的厚度取
　　为350mm.
　　(3)底部剪力墙尽量不开洞或开小洞,以免刚度削弱太大.
　　(4)提高底部柱、墙混凝土强度等级,采用C40混凝土.
　　(5)适当减少转换层上部剪力墙数目,控制剪力墙厚度,并可在某些较长剪力墙中部开结构洞(结构施工完毕后再用填充墙填实),以弱化上部刚度.弱化上部刚度不仅对控制刚度比有利,还可减轻建筑物重量,减小框支梁承受的荷载;增大结构自振周期,减小地震作用力.工程综合采用上述几种方法后,转换层上下刚度比在X方向为0.809,在Y方向为0.997,满足规范要求,效果良好.
　　虽然上下部刚度比满足要求,但毕竟工程仍属于竖向不规则结构,转换层及其下一层无法满足要求,形成了结构薄弱层.因而应将该两层的地震剪力乘以1.15的增大系数。
　　2.3结构平面布局
　　工程底部为框架-剪力墙结构,体型简单、规则;上部为纯剪力墙结构.在剪力墙平面布置上,东西向完全对称,南北向质量中心与刚度中心偏差不超过2m,结构偏心率较小.除核心筒外,其余剪力墙布置分散、均匀;且尽量沿周边布置,以增强抗扭效果.查阅计算结果,扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比为0.83,各层最大水平位移与层间位移比值不大于1.4,均满足平面布置及控制扭转的要求.可见工程平面布局规则合理,抗扭效果良好.
　　3结论
　　针对框支一剪力墙结构为复杂高层建筑，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，着重研究了钢筋混凝土高层建筑框支一剪力墙结构中梁式转换层的设计方法，着重从转换梁尺寸选择、转换梁设计与构造要求、框支柱的设计和构造要求、上部框架设计和构造要求等方面阐述梁式转换层结构的设计计算原理与构造要求，提供了切实可行的实践经验，对实际工程的设计具有一定的参考价值。
　　参考文献
　　[1]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
　　[2]包世华，方鄂华.高层建筑结构设计[M].北京：清华大学出版社，1999
　　[3]张维斌.浅谈框支转换和一般转换的几点区别[J].建筑结构一技术通讯，2006(5)
　　[4]徐培福，王翠坤等.转换层设置高度对框支剪力墙的影响[J].建筑结构，2000(1)
　　[5]傅学怡，吴兵.高层建筑结构若千重要问题探讨[J].建筑结构—技术通讯，2007(5)