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浅谈高层建筑梁式转换层的结构设计冯志军

发表时间：2020/9/28 来源：《基层建设》2020年第17期作者：冯志军

[导读] 摘要：高层建筑具有更大的空间，楼层也在不断提升，为了充分发挥出高层建筑的价值，设计者改变了建筑原本单一化的功能，很多高层建筑上部楼层被定位成居民住宅，而下半部分则支持办公与商业活动，多功能型建筑的数量也逐渐增加。

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        摘要：高层建筑具有更大的空间，楼层也在不断提升，为了充分发挥出高层建筑的价值，设计者改变了建筑原本单一化的功能，很多高层建筑上部楼层被定位成居民住宅，而下半部分则支持办公与商业活动，多功能型建筑的数量也逐渐增加。下部楼层需要设置的墙体不多，同时柱网较大，而上部分刚好相反，为了转换不同楼层的差异化功能，需应用水平转换结构构件，即进行转换层施工。现探讨梁式转换层这种常用转换层的设计方法。同时，梁式转换层抗震性能优良，因此，在高层建筑中有着广泛的应用。
        关键词：高层建筑；梁式转换层；结构设计
        引言
        随着城市土地面积的日趋紧张，城市中高层建筑的规模与数量越来越大，越来越多的高层建筑内部具有了商场、酒店、办公区、住宅区等。在进行建筑项目施工建设时，经常出现某层结构的上部、下部使用功能不同的现象。由于该楼层的上、下部在平面形式、结构类型等方面存在着较大的差异，因而需要通过该楼层进行结构转换，通常将这一楼层称之为结构转换层。因而，要加强对结构转换层施工技术的合理应用，确保建筑内部空间的各项功能得以实现，并保证建筑工程使用期间的安全性。
        1梁式转换层概述
        1.1梁式转换层含义
        梁式转化层是高层建筑中最为常用的转换层结构，其载荷力传导直接，同时其结构设计和分析简便，成本造价较低。梁式转化层结构采用转换梁作为承载结构，分为托墙和托柱两种方式，其施工材料可以采用钢筋混凝土、预应力混凝土和钢结构。在实际工程中，转换梁的跨度要综合考虑上层墙体的层数，其常用的跨度为6~12m，转换梁结构设计选择与受力性能以及形式有直接关系，托柱式转换梁界面的设计可以按照普通截面的配筋计算方式，如果上部的承载部分为上部斜杆框架，应采用偏心受拉构件界面设计，而对于托墙式的截面设计，要计算其纵向钢筋的分布状况，对开门较多的墙体，也可以采用深梁截面设计方法或应力截面设计方法。
        1.2梁式转换层结构的工作原理
        以结构布置来划分，可将转换层转换情况分为以下几种：第一，不改变上下层的柱网与轴线，只在轴柱结构进行转换。第二，改变上下部结构，包括上部剪力墙结构和下部框架结构，转换层的作用是将上部结构转换为下部框架结构，形成一个不落地的剪力墙。第三，对结构的轴线和结构的形式同时转换，能够最大限度避开柱网线与上部轴线。梁式转换层在转换时的工作机制，是在转换层上一层地板位置设置交错转换大梁用来承托上部竖向上的传力构件，为了满足最大的荷载采用钢筋混凝土转换大梁，由于梁式转换层结构简单，所以布置时可采取横向或纵向方式布置。具有施工简单、成本较低的优点，但是其抗震性能较差，且现场施工所需设备和管道众多，在设计施工中要充分考虑上述所有因素才能达到提高转换层结构质量的效果。
        2梁式转换层结构设计要求
        2.1抗震设计
        转换层位置越高，此结构的抗震性越差。因此，结构设计中需要保证转换梁结构刚度满足有关硬件标准，并对转换梁材料、高度、构件等进行规范化布置，进而提升结构抗震性质。具体设计要求应包含以下内容：首先，转换梁高度需要高于其跨度的20%，材料主要是高性能混凝土材料。其次，如果建筑底部的空间大，框支剪力墙结构层数应大于6层，依据建筑物的抗震等级科学调整转换层高度。比如，对于9度的抗震设防烈度，不能在建筑中应用转换层结构。最后，应用转换结构时，对于剪力墙和转换柱，需要依据技术规范进行施工布置，确保二者对称性，将剪力墙布置在转换柱中间。同时，尽量减少竖向转换构件的应用，否则会对功能转化效率产生影响，增加转换构件的数量，产生一定的安全隐患。

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        2.2结构布置
        结构布置分为竖向布置和平面布置，在竖向布置时要求下部刚度应大于上部刚度，且应避免刚度的突然变化，在建筑工程梁式转换层结构中，上下等效侧向刚度比应接近1，在设计时注意强化下部结构而弱化上部。具体操作方法如下：第一，与建筑专业协商，尽量让剪力墙落地必要时可通过在底部增加剪力墙来增加底部的刚度。第二，在转换层以下的剪力墙部分可通过适当增大厚度来强化下部。第三，尽量在底部剪力墙中少开洞或开小洞，避免对底部刚度削弱太大。进行平面布局时可以通过框架剪力墙结构作为底部施工，其体型简单规则；上部则可以采用纯粹的剪力墙结构。此外平面布置时需要确保东西的对称性，将中心以及刚度的误差控制在一定范围内，还要进一步降低建筑结构的偏心率。在剪力墙布置过程中要确保其分散的均匀性，通过周边均匀分布的方式，进一步加强抗扭性能。
        3梁式转换层结构构件设计
        3.1框支柱设计
        框支柱截面尺寸与轴压比相关，需要满足剪压比要求。为了确保框支柱的延性，应严格控制轴压比。一般工程框支柱的抗震等级是一级，轴压比低于0.6，对于部分短柱机构，其轴压比低于0.55。柱截面的延性和配箍率有关，因此框支柱配箍率相较于一般框架柱要大。此外，在工程施工中，部分框支柱会充当剪力墙的端柱，因此需要满足边缘构件配箍特征值低于0.2的标准。在计算过程中，假定楼板刚度无限大，水平剪力会依据竖向构件的刚度完成分配，框支柱的刚度小于底部剪力墙刚度，导致框支柱剪力较小，因此有必要对框支柱进行单独规定。
        3.2框支梁设计
        剪压比决定了框支梁的截面尺寸，其宽度不能小于上部墙厚的2倍，但是不能太小，高度则不能小于计算跨度的1/6。由于建筑工程梁式转换层结构中的框支梁受力情况十分复杂，不仅需要承受上部荷载，还需要有足够的能力提升剪力墙的抗震性能，所以，在设计中应根据对框支梁的要求将其纵筋配筋率设置大于0.4%，且需配置足够数量的腰筋来使梁中也可以承受荷载，腰筋设置时要求沿梁高距离不能大于200mm，且能够可靠地锚入到支座中。由于框支梁的受剪能力较强，所以在纵筋充足的情况下必须增强箍筋并做好加密设置。
        3.3转换楼板设计
        以转换层为界限，框支剪力墙在下部与上部具有差异化的内力分布特点。在上部楼层系统中，形成的外荷载主要结合等效刚度按照具体的比例进行分配；在下半楼层中，落地型剪力墙与框支柱具有不同的刚度，落地剪力墙集中承受水平剪力，分配荷载时形成突变。设计转换层楼板时要考虑到楼板在平面范围内变形幅度大，受力也比较多，因此要使其形成充足的刚度，厚度需超过180mm，采取双向双层配置钢筋的方式，每个方向每个楼层的配筋率都应高于0.25%，以此达到刚度设计要求。
        结束语
        综上所述，梁式转换层结构的设计对于建筑施工十分重要。采用梁式转换层结构可以使高层建筑的受力状态更加协调。同时，由于结构在施工中的方便性，梁式转换层在转换层结构中得到了人们的认同，广泛应用于高层建筑中。相比于高层建筑其他结构而言，梁式转换层施工相对复杂、危险性大，施工期间要严格按照施工技术方案与设计施工图等开展相应的施工。同时，还要加强对先进施工技术的合理应用，并严格做好施工质量的把控，防止各类施工质量问题的发生。
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