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高层建筑梁式转换层结构设计分析金芝兰

发表时间：2021/5/7 来源：《基层建设》2021年第1期作者：金芝兰

[导读] 摘要：城市的扩张与改建，导致城市土地资源的使用也越来越紧张，为了缓解用地压力，高层建筑开始大量涌现，由于高层建筑功能与体型的多样化，其对转换层结构设计要求也比较高。

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        摘要：城市的扩张与改建，导致城市土地资源的使用也越来越紧张，为了缓解用地压力，高层建筑开始大量涌现，由于高层建筑功能与体型的多样化，其对转换层结构设计要求也比较高。本文笔者首先对梁式转换层进行了简要介绍，接着阐述了高层建筑梁式转换层结构设计的主要原则，最后对高层建筑梁式转换层结构设计的方法进行了详细分析。
        关键词：高层建筑；梁式转换层；结构设计
        带有转换层的结构属于一种特殊的建筑结构形式，在高层建筑中，梁式转换层结构比较常见，其设计效果将直接影响到整个建筑的安全性，与此同时，转换层的设计水平也和建筑物的使用寿命有着至关重要的联系，若设计质量不达标，则建筑的使用期限必定会缩短，且使用过程的安全性也无法得到保障；若设计质量较高，则建筑的使用寿命也能得到进一步延长。转换层结构设计属于建筑设计中难度较大，同时也比较重要的一环，怎样才能达到较好的设计成效是目前相关人员普遍关注的问题。
        1 梁式转换层的概述
        如果建筑物同一楼层的上下两个部分在使用功能上存在明显区别，则设计者必须注重对上下两个部分结构形式的分别独立设计，并借助该楼层进行结构的转换，这里用到的的楼层就被称为“结构转换层”。现阶段，我国大部分高层建筑的低层都属于商用区，上部则为住宅区，低层商用区主要以大空间为主，上部住宅区则主要以多墙分隔的小空间为主，在这一状况下，必定需要利用特殊的结构形式来达到转换目的。常见的高层建筑转换结构主要有箱型转换结构、桁架转换结构、梁式转换结构以及厚板转换结构这几种形式，对于梁式转换结构来说，其关键受力部位是转换大梁，其受力特点会受到多方面因素的影响，包括转换梁的具体位置、上部构造情况等，正是因为多方面因素的影响，梁式转换层结构在受到外力作用的时候会表现出不一样的承载性能，相关研究表明，对于跨度在12米以内的普通结构转换大梁来说，其上部墙体在控制内力的设计上可只计算3层，因为即便计算更高的层数也不会出现结果上的太大差异。从具体的工程实践来看，转换梁的类型比较多，站在功能的角度进行划分，具体可分为托墙和托柱；按照跨数的不同进行划分，主要可分为单跨、双跨和多跨；按照结构材质进行划分，主要可分为钢结构、预应力混凝土结构等。和其他类型的转换层结构相比，梁式转换层结构的突出优势主要在于设计简单、易于操作，而且整个结构的承载性能非常好。
        2 高层建筑梁式转换层结构设计的主要原则
        （1）要尽可能减少转换。在开展转换层上部与下部垂直结构设计之时，应优先选用上部与下部垂直结构有效连通的模式，尤其是对于一些核心筒框架结构形式而言，上下部的连通性是极为重要的。
        （2）应确保承载力的可靠性。转换层在实际运行过程中会受到较大的垂直外力，设计者在开展设计工作的时候必须意识到这一点，并注重优化转换层的综合承载能力。我国现行的《高规》中明确要求：结构转换层的混凝土强度等级应在C30及其以上。设计人员在进行转换层结构设计的时候应严格按照上述要求进行，这样才能保证工程的承载性能达标。
        （3）应使传力与受力更加明确。转换层上部与下部垂直结构的外力传递应当清晰，尽可能减少中介传力主体，不能选用层次比较多、传力情况复杂多变的转换形式，同时还要尽量少用结构质量较大的厚板进行转换，避免出现高位转换现象。
        （4）应具备较强的竖向以及水平刚度。高层建筑转换层中梁的跨度比较大，有时甚至比上部梁的跨度高出数倍，因此，在设计的时候必须确保转换层的竖向刚度达标，与此同时，也要具备较高的水平刚度，这样才能避免楼盖在水平面内出现变形问题。
        （5）要保证计算的精准性。设计者人员应提高对转换层结构相关参数计算的重视度，运用科学的计算模型和计算公式来开展计算工作。若采用的是有限元的计算方法，则必须保证计算模型之中有2层结构。
        （6）应合理确定结构抗震等级。

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如果建筑基于相关功能要求而不得不运用高位转换形式，则设计人员应优先选用不会导致框支柱柱剪力偏大或柱顶弯矩过大的转换结构，比如比较常见的宽扁梁、空腹桁架等，与此同时，还要注重对刚度与强度要求的满足，以免出现早期破坏。
        3 高层建筑梁式转换层结构设计方法
        3.1 转换梁的设计
        一般来说，高层建筑中转换梁如果属于托柱形式，则在开展截面设计工作之时，应将重点放在截面大小的确定上，这一形式的梁受力能力和建筑中其余部位的梁基本相同，设计方法主要是由梁部位的配筋决定的，如果承托转换梁的是斜杆框架，考虑到梁受到的垂直拉力比较大，设计人员应尤其注重对偏心受拉构件的设计，这样才能让梁截面更好地满足转换梁的相关功能需求。如果采用的是托墙形式，则应当重点考虑梁和墙体之间的作用，部分建筑之中还有深梁，所以设计者的主要关注点应当放在深梁截面设计上，另外，还要做好应力截面设计，通过科学的计算公式得出钢筋使用的数量，之后再完成梁上配筋工作。
        3.2 框支柱的设计
        在进行框支柱截面参数计算之时，通常会用到轴压比，要达到最佳的抗震性能，应采用最大的系数来乘以框支柱的柱顶弯矩，并对其进行放大以后再完成配筋工作，同时还要对剪力进行适当调整和优化，若框支柱的数量不到10根，且主要集中于1~2层，则每一层支柱所受到的剪力至少应达到基底剪力的2%；若框支柱在3层或3层之上，则各层支柱所受的最小剪力要达到基底剪力的3%；若框支柱的数量在十条以上，且主要集中在1-2层，则每一层每根柱所承受的剪力应达到基底剪力的20%；若框支柱在3层及其以上，则应当使每一层每根柱的剪力达到基底剪力的30%。在完成框支柱剪力的调整工作以后，还要进行弯矩的优化，考虑到抗震设计需求，纵向钢筋的间距应当保持在80~200mm，所有纵向钢筋的配筋率应当在4%以内。
        3.3 上部框架设计
        在进行高层建筑转换结构的上部框架设计的时候，应遵循以强化柱子为主的基本原则，将塑性铰设置在梁的末端位置，从而增强其安全性能。相关试验研究发现，和转换梁连接的柱子通常属于较为薄弱的环节，考虑到转换梁的上层框架梁柱受力情况比较复杂，且应力表现出集中分布的特点，在设计的过程中必须结合具体的受力状况进行精准的施工模拟计算。
        3.4 转换层结构的构件设计
        若属于竖向的构件，考虑到其在结构中发生突变现象的几率比较高，所以，在进行构件设计的过程中，必须提高关注度，与此同时，还要考虑到竖向构件是否连续的问题，若构件不连续，则在转换层及其周边区域都很容易发生突变，一旦遇到强震，转换层就成了非常不安全的部位，所以，应适当提升转换层的刚度，并增强相关构件的刚度，以此来确保强震环境下整体结构的稳定性与安全性。
        4 结语
        在我国高层建筑建设规模不断扩大以及功能需求越发多样化的背景下，梁式转换层结构设计的重要性也愈加凸显出来。相关设计者在针对具体的工程项目进行转换层设计的时候，必须着重处理好转换梁的设计、框支柱的设计、上部框架的设计等关键环节的内容，遵循科学的设计原则，并选用合理有效的设计手段，确保计算结果的准确性，这样才能为转换层结构的整体设计质量提供保障。
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