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[摘 要]本文重点对高层建筑梁式转换层结构设计的相关问题进行了分析。
[关键词]高层建筑结构；转换层；设计
中图分类号：TU 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）20-0422-01
随着我国经济的持续快速发展，人们对高层建筑的功能要求趋向于多样化、综合化和全面化。较为常见的形式是上部为小开间的民用住宅，下部为大开间的商场或公共娱乐场所。从建筑功能上看，高层建筑上部需要较多的墙体来分隔空间以满足住宅户型的需要；而下部则希望有较大的自由灵活空间，大柱网、少墙体，以满足公共使用要求。然而，按照这样的建筑形式进行结构布置时，上部墙体多而密，下部柱网少而稀，即刚度上大下小。这与常规的结构竖向布置的原则正好是相反的。为了满足建筑要求就必须在上下不同结构体系转换的楼层设置转换层。于是，带转换层的建筑结构孕育而生，并在近年来得到较为广泛的应用。
一、转换层的相关概述
1）转换层的功能和分类。在高层建筑中通常设置转换层以实现提供大的室内空间、大的出人口等建筑功能及上层和下层结构类型的转换、上层和下层柱网、轴线的改变、同时转换结构形式和结构轴线位置等结构功能。从建筑角度看，在传统的剪力墙结构中，剪力墙间距小，可以将部分剪力墙通过转换层变为框支剪力墙，在建筑下部一层或多层形成大空间；筒中筒结构可沿建筑平面周边柱列或角筒布置大梁、析架、拱等形式的转换结构以提供大的出人口。
2）转换层的主要结构形式及特点。目前在工程中应用转换层的主要结构形式有：梁（墙梁）式、厚板、箱形、空腹析架式、斜杆析架式和巨型框架等，据不完全统计，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11.9%，析架转换约占9.5%，箱形等占3.6%。①梁式转换层结构。优点：梁式转换层结构是目前高层建筑中实现垂直转换最常用的结构形式，由于其传力途径采用墙（柱）一转换梁一柱（墙）的形式，具有传力直接。明确和清楚的优点，转换梁具有受力性能好，工作可靠，构造简单和施工方便的优点，且便于工程计算。分析和设计，造价较节省，因而梁式转换层结构在实际工程中的应用较广。缺点：转换梁的截面尺寸往往很大，由于梁很强，处理不好有可能使转换梁与框支柱形成的框架出现强梁弱柱的情况，对结构的抗震不利，另一方面粱太高也或少会影响该层的使用空间。②厚板转换层结构。当转换层上下轴网错开较多，难以直接用梁承托时，则需要做成厚板，形成厚板转换层。优点：上部结构及下部结构布置灵活。缺点：板的传力途径不清楚，受力非常复杂，结构计算相对困难，需采用有限元法计算，计算结果繁沉。板厚较大，自重较重，在地震作用下.振动性能十分复杂，地震反应强烈，对结构抗震不利。
二、计算要求
1）整体结构分析计算
高层建筑结构中，转换层只是其中的一个部分，在进行内力分析前，必须先对整个结构做整体计算分析。可分别按空间协同工作分析方法和三维空间分析方法进行整体内力与位移计算，此时转换构件可作为结构的一部分参与整体计算。由于带转换层的结构，结构布置沿竖向变化明显，竖向刚度不均匀，故结构布置时需运用概念设计、力学原理、以往工程的经验、工程试验的结果等综合考虑布置加强点及冗余杆件。此类工程结构计算时多选用三维分析、协同工作和平面有限元等结构软件加以计算。
2）转换层分析计算
整体计算完毕后对转换层本身应采用平面有限元计算软件做局部应力的补充计算。进行局部分析时，应考虑转换结构上下楼层是否进入局部计算模型，以及楼层楼盖平面内刚度影响，注意实际结构的三维空间盒子效应，采用符合实际情况的正确计算模型。框支剪力墙的计算较为复杂，上部剪力墙需与下面多根柱相连接，如果连接不当会产生很大的计算误差。空间分析程序是以梁柱为基本单元，而分析底部框支剪力墙时，剪力墙作为柱单元考虑。计算时宜在上部剪力墙肢与下部转换柱之间均设转换梁，墙肢与转换梁相连结；不要只通过拐角刚域连接上层墙肢与底层柱，结构布置时最好上部墙体、转换梁、下层柱分别成一体系，这样传力明确，不易形成扭转。
三、梁式转换层结构的关键设计
1）转换粱的截面设计方法。转换梁截面设计方法的选择与其受力性能和转换层的形式相关。①托柱形式转换梁截面设计。当转换梁承托上部普通框架时，在转换梁常用截面尺寸范围内，转换梁的受力基本和普通梁相同，可按普通梁截面设计方法进行配筋计算。当转换粱承托上部斜杆框架时，转换梁将承受轴向拉力，此时应按偏心受拉构件进行截面设计。②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。
2）转换粱的设计与构造要求。①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。②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。③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为0.3%，抗震设计时，一、二、三和四级抗震等级分别为0.5%、0.4%、0.35%和0.35%。轉换梁中主筋（纵向钢筋）不宜有接头；有接头时，宜采用机械连接，且同一截面内钢筋接头面积不应超过全部主筋截面面积50%，接头位置尚应避开上部剪力墙开洞部位、梁上托柱部位及受力较大部位。转换梁上部主筋至少应有50%沿梁全长贯通，下部主筋应全部贯通伸人柱内。
3）上部框架设计和构造要求。①上部框架上转换梁共同工作，可视作一个层层受楼板约束、受相连梁空间约束的巨型平面空腹析架。设计时可以加大转换梁上面几层框架粱的刚度，以达到共同承受上部荷载和起到二道设防的作用，同时由一层梁承托变成层层梁承托上部框架柱的工作机制。②转换结构上部框架须按强柱弱梁的原则进行设计，确保塑性铰在梁端出现，使柱比梁有更大的安全储备。③转换层结构的试验研究表明，与转换梁相连的柱子往往是薄弱环节；转换梁上层框架梁柱受力复杂，应力集中，设计时应根据实际受力情况进行较准确施工模拟计算分析。④上部框架柱纵向钢筋最小配筋率为：抗震等级一级时不宜小于1.0%，抗震等级二级时不宜小于0.8%，抗震等级三级时不宜小于0.7%，抗震等级四级、非抗震设计时不宜小于0.6%，且钢筋间距不宜大于200mm，不宜小于80mm。
总之，转换层设计是结构设计的一个难点，要不断通过对梁式转换层的设计思路和构造要求的深入了解，选择合理的结构布置方式和构造设计方法是关键。结构布置的合理与否直接影响建筑的质量与使用性能，同时也与建筑的经济性有密切关系。
参考文献
[1] 纪锋琴.高层建筑梁式转换层结构设计[J].科学与财富，2012年10期2.
[关键词]高层建筑结构；转换层；设计
中图分类号：TU 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）20-0422-01
随着我国经济的持续快速发展，人们对高层建筑的功能要求趋向于多样化、综合化和全面化。较为常见的形式是上部为小开间的民用住宅，下部为大开间的商场或公共娱乐场所。从建筑功能上看，高层建筑上部需要较多的墙体来分隔空间以满足住宅户型的需要；而下部则希望有较大的自由灵活空间，大柱网、少墙体，以满足公共使用要求。然而，按照这样的建筑形式进行结构布置时，上部墙体多而密，下部柱网少而稀，即刚度上大下小。这与常规的结构竖向布置的原则正好是相反的。为了满足建筑要求就必须在上下不同结构体系转换的楼层设置转换层。于是，带转换层的建筑结构孕育而生，并在近年来得到较为广泛的应用。
一、转换层的相关概述
1）转换层的功能和分类。在高层建筑中通常设置转换层以实现提供大的室内空间、大的出人口等建筑功能及上层和下层结构类型的转换、上层和下层柱网、轴线的改变、同时转换结构形式和结构轴线位置等结构功能。从建筑角度看，在传统的剪力墙结构中，剪力墙间距小，可以将部分剪力墙通过转换层变为框支剪力墙，在建筑下部一层或多层形成大空间；筒中筒结构可沿建筑平面周边柱列或角筒布置大梁、析架、拱等形式的转换结构以提供大的出人口。
2）转换层的主要结构形式及特点。目前在工程中应用转换层的主要结构形式有：梁（墙梁）式、厚板、箱形、空腹析架式、斜杆析架式和巨型框架等，据不完全统计，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11.9%，析架转换约占9.5%，箱形等占3.6%。①梁式转换层结构。优点：梁式转换层结构是目前高层建筑中实现垂直转换最常用的结构形式，由于其传力途径采用墙（柱）一转换梁一柱（墙）的形式，具有传力直接。明确和清楚的优点，转换梁具有受力性能好，工作可靠，构造简单和施工方便的优点，且便于工程计算。分析和设计，造价较节省，因而梁式转换层结构在实际工程中的应用较广。缺点：转换梁的截面尺寸往往很大，由于梁很强，处理不好有可能使转换梁与框支柱形成的框架出现强梁弱柱的情况，对结构的抗震不利，另一方面粱太高也或少会影响该层的使用空间。②厚板转换层结构。当转换层上下轴网错开较多，难以直接用梁承托时，则需要做成厚板，形成厚板转换层。优点：上部结构及下部结构布置灵活。缺点：板的传力途径不清楚，受力非常复杂，结构计算相对困难，需采用有限元法计算，计算结果繁沉。板厚较大，自重较重，在地震作用下.振动性能十分复杂，地震反应强烈，对结构抗震不利。
二、计算要求
1）整体结构分析计算
高层建筑结构中，转换层只是其中的一个部分，在进行内力分析前，必须先对整个结构做整体计算分析。可分别按空间协同工作分析方法和三维空间分析方法进行整体内力与位移计算，此时转换构件可作为结构的一部分参与整体计算。由于带转换层的结构，结构布置沿竖向变化明显，竖向刚度不均匀，故结构布置时需运用概念设计、力学原理、以往工程的经验、工程试验的结果等综合考虑布置加强点及冗余杆件。此类工程结构计算时多选用三维分析、协同工作和平面有限元等结构软件加以计算。
2）转换层分析计算
整体计算完毕后对转换层本身应采用平面有限元计算软件做局部应力的补充计算。进行局部分析时，应考虑转换结构上下楼层是否进入局部计算模型，以及楼层楼盖平面内刚度影响，注意实际结构的三维空间盒子效应，采用符合实际情况的正确计算模型。框支剪力墙的计算较为复杂，上部剪力墙需与下面多根柱相连接，如果连接不当会产生很大的计算误差。空间分析程序是以梁柱为基本单元，而分析底部框支剪力墙时，剪力墙作为柱单元考虑。计算时宜在上部剪力墙肢与下部转换柱之间均设转换梁，墙肢与转换梁相连结；不要只通过拐角刚域连接上层墙肢与底层柱，结构布置时最好上部墙体、转换梁、下层柱分别成一体系，这样传力明确，不易形成扭转。
三、梁式转换层结构的关键设计
1）转换粱的截面设计方法。转换梁截面设计方法的选择与其受力性能和转换层的形式相关。①托柱形式转换梁截面设计。当转换梁承托上部普通框架时，在转换梁常用截面尺寸范围内，转换梁的受力基本和普通梁相同，可按普通梁截面设计方法进行配筋计算。当转换粱承托上部斜杆框架时，转换梁将承受轴向拉力，此时应按偏心受拉构件进行截面设计。②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。
2）转换粱的设计与构造要求。①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。②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。③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为0.3%，抗震设计时，一、二、三和四级抗震等级分别为0.5%、0.4%、0.35%和0.35%。轉换梁中主筋（纵向钢筋）不宜有接头；有接头时，宜采用机械连接，且同一截面内钢筋接头面积不应超过全部主筋截面面积50%，接头位置尚应避开上部剪力墙开洞部位、梁上托柱部位及受力较大部位。转换梁上部主筋至少应有50%沿梁全长贯通，下部主筋应全部贯通伸人柱内。
3）上部框架设计和构造要求。①上部框架上转换梁共同工作，可视作一个层层受楼板约束、受相连梁空间约束的巨型平面空腹析架。设计时可以加大转换梁上面几层框架粱的刚度，以达到共同承受上部荷载和起到二道设防的作用，同时由一层梁承托变成层层梁承托上部框架柱的工作机制。②转换结构上部框架须按强柱弱梁的原则进行设计，确保塑性铰在梁端出现，使柱比梁有更大的安全储备。③转换层结构的试验研究表明，与转换梁相连的柱子往往是薄弱环节；转换梁上层框架梁柱受力复杂，应力集中，设计时应根据实际受力情况进行较准确施工模拟计算分析。④上部框架柱纵向钢筋最小配筋率为：抗震等级一级时不宜小于1.0%，抗震等级二级时不宜小于0.8%，抗震等级三级时不宜小于0.7%，抗震等级四级、非抗震设计时不宜小于0.6%，且钢筋间距不宜大于200mm，不宜小于80mm。
总之，转换层设计是结构设计的一个难点，要不断通过对梁式转换层的设计思路和构造要求的深入了解，选择合理的结构布置方式和构造设计方法是关键。结构布置的合理与否直接影响建筑的质量与使用性能，同时也与建筑的经济性有密切关系。
参考文献
[1] 纪锋琴.高层建筑梁式转换层结构设计[J].科学与财富，2012年10期2.