论文部分内容阅读
【摘 要】 梁式转换具有传力路径清晰快捷、工作可靠、构造简单、施工方便等优点，，是目前国内应用最广的转换层结构型式。本文主要从高层建筑梁式转换层的设计方法着手，对梁式转换层结构的受力原理进行分析，从而使梁式结构转换层的受力更加明了化。
【关键词】 高层建筑 梁式转换层设计
前言
随着现代化城市的发展高层、超高层综合性建筑需求越来越多，对建筑功能的要求越来越高，建筑上部需要較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、梁式转换层形式及受力原理
高层建筑结构中，为了满足人们对房屋住所的要求，为建筑物预留更大的空间，扩大建筑物网柱，减少墙体；而在高层建筑结构上层，要开设小的空间，就需要多层墙体来实现。然而，在结构设计过程中会因竖向杆件无法贯通接地，使得无法满足高层建筑结构额整体效果和功能，所以采取水平转换结构来与下部竖向杆件进行连接，能够有效的满足高层建筑结构设计在不同功能上的需求。这种形式的建筑结构称为高层建筑转换层结构。转换层结构功能可以分为3 类：上层结构和下层结构转换，这种形式的转换大多应用于剪力墙结构和框架、剪力墙结构，以此来创造一个较大的内部自由空间；上层与下层之间的柱网、轴线变化，转换层结构没有发生改变，但是通过转换层使下层形成大柱网，多用于外框筒的下部较大的空间；对结构形式和结构轴线布置进行转换，使其形成上下结构不对齐其的结构布置。
1、梁式转换层结构形式
实际工程中应用的梁式转换层结构有多种形式，主要原理就是利用下部的转换大梁板来支托上部结构，根据其受力特点可分为以下几种形式。
2、梁式转换结构受力体系分析
梁式转换层结构的传力途径为墙———梁———柱 （墙）的形式，传力直接，便于分析计算。转换大梁的受力主要受上部剪力墙刚度、剪力墙与转换大梁的相对刚度和转换大梁与下部支撑结构的相对刚度影响。为弄清转换梁结构与上部墙体共同工作的性能，通过以往工程中对转换梁承托层数对其内力的影响进行用有限元程序进行了分析，从分析结果中我们知道，对一般结构转换大梁（跨度小于12m），上部墙体考虑三层与考虑4 层、5 层内力的设计控制内力差异不大于5%，故在分析计算时可只考虑计算3 层。从计算分析不论转换大梁上部墙体的形式如何，只要墙体有一定长度，转换大梁中的弯矩就会比不考虑上部墙体作用要小，同时转换大梁也会有一段范围出现受拉区。主要原因：一是由于转换大梁处于结构整体弯曲的受拉区，应力积分后在转换大梁中就会出现轴向拉力，二是由于上部墙体竖向力作用于转换大梁时形成了拱的传力方式，这样竖向力转变成斜向力作用于转换大梁，从而在转换大梁跨中出现拉力，支座出现轴向压力的情况。
二、梁式转换层结构的设计与构造
由框支主梁承托转换次梁及次梁上的剪力墙，其传力途径多次转换，受力复杂。框支主梁除承受其上部剪力墙的作用外，还需要承受梁传给的剪力，扭矩和弯矩，框支主梁易受剪破坏。对于有抗震设防要求的建筑，为了改善结构的受力性能，提高其抗震能力，在进行结构平面布置时，可以将一部分剪力墙落地，并贯通至基础，做成落地剪力墙与框支墙与剪力墙协同工作的受力体系。
1、转换梁的设计与构造要求
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配箍率。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、下连梁必须采取加强措施，箍筋要加密，以增强其抗剪能力。上、下连梁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。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%，转换梁中主筋不宜有接头，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入柱内。
2、框支柱的设计与构造要求
框支柱截面尺寸一般由其轴压比计算确定。地震作用下框支柱内力需调整：抗震设计时，框支柱的柱顶弯矩应乘以放大系数，并按放大后的弯矩设计值进行配筋；剪力调整：框支柱承受的地震剪力标准值应按下列规定采用：框支柱的数目不多于1 0根时，当框支层为1～2层时，每层第每根柱承受的剪力应至少取基底剪力的2%；当框支层为3层及3层以上时，各层每根柱所受的剪力应至少取基底剪力的3%；框支柱的数目多于10根时，当框支层为1～2层时，每层每根柱承受的剪力之和应取基底剪力的20% ；当框支层为3层及3层以上时，每层框支柱承受剪力之和应取基底剪力的30%；框支柱剪力调整后，应相应调整框支柱的弯矩及柱端梁的剪力、弯矩，框支柱轴力可不调整。
框支柱全部纵向钢筋配筋率，抗震等级一级时不小于1.2%，二级时不小于1.0%，三级时不小于0.9% 、四级及非抗震设计时不小于0.8% 。纵向钢筋间距抗震设计时不大干200MM，且不小于80MM，全部纵向钢筋配筋率不宜大于4 % 。
3、转换梁的截面设计方法
应力截面设计方法：对转换梁进行有限元分析得到的结果是应力及其分布规律，为能直接应用转换梁有限元法分析后的应力大小及其分布规律进行截面的配筋计算，假定不考虑混凝土的抗拉作用，所有拉力由钢筋承担钢筋达到其屈服强度设计值。受压区混凝土的强度达到轴心抗压强度设计值。
4、转换梁截面设计方法的选择
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。当转换梁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。
5、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。由于此时转换梁跨中较大范围内的内力比较大，故底部纵向钢筋不宜截断和弯起，应全部伸入支座。当转换梁承托上部墙体为小墙肢时，转换梁基本上可按普通梁的截面设计方法进行配筋计算，纵向钢筋可按普通梁集中布置在转换梁的底部。
三、转换梁设计的注意点
1、转换梁设计占高层建筑转换层设计的决大多数，在实际应用中，通常把转换层作为设备层来使用。因此，在转换梁设计中要考虑腹部开口相对大小和开口位置。
2、要充分考虑转换梁与上部结构共同工作的程度，通常分为完全、部分和没有共同工作三种情况来分析，否则会造成梁的跨中弯矩和支座剪力与实际情况发生很大差异。
3、尽量避免转换层与下部结构竖向刚度产生突变，对下部结构在满足建筑物使用功能要求的基础上，应提高下部结构的截面尺寸，增加剪力墙、提高混凝土的强度等级，一般转换层混凝土强度等级应不低于C30。
4、设计时要充分考虑施工的可操作性和满足建筑外观的要求。
结束语
总之， 在带有梁式转换层的高层建筑设计中， 转换层设计是结构设计的一个难点， 更是不同形式结构体系转换的关键点， 设计时应不断研究和进行方案比较， 在可能的情况下做出较优的技术方案才能实现安全、适用、经济等综合目标。
参考文献：
[1] 章斌全. 框支剪力墙转换层结构设计探索[J].工程建设与设计. 2003（2）
[2] 高雪峰 . 转换层结构设计的改进建议[J].建筑技术开发. 2003（3）
[3] 罗柳毅. 梁式转换层在高层建筑中的应用[J]. 广东土木与建筑. 2000（02）
[4] 苏伟成. 高层建筑梁式转换层设计探讨[J]. 科学之友. 2011（12）
【关键词】 高层建筑 梁式转换层设计
前言
随着现代化城市的发展高层、超高层综合性建筑需求越来越多，对建筑功能的要求越来越高，建筑上部需要較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、梁式转换层形式及受力原理
高层建筑结构中，为了满足人们对房屋住所的要求，为建筑物预留更大的空间，扩大建筑物网柱，减少墙体；而在高层建筑结构上层，要开设小的空间，就需要多层墙体来实现。然而，在结构设计过程中会因竖向杆件无法贯通接地，使得无法满足高层建筑结构额整体效果和功能，所以采取水平转换结构来与下部竖向杆件进行连接，能够有效的满足高层建筑结构设计在不同功能上的需求。这种形式的建筑结构称为高层建筑转换层结构。转换层结构功能可以分为3 类：上层结构和下层结构转换，这种形式的转换大多应用于剪力墙结构和框架、剪力墙结构，以此来创造一个较大的内部自由空间；上层与下层之间的柱网、轴线变化，转换层结构没有发生改变，但是通过转换层使下层形成大柱网，多用于外框筒的下部较大的空间；对结构形式和结构轴线布置进行转换，使其形成上下结构不对齐其的结构布置。
1、梁式转换层结构形式
实际工程中应用的梁式转换层结构有多种形式，主要原理就是利用下部的转换大梁板来支托上部结构，根据其受力特点可分为以下几种形式。
2、梁式转换结构受力体系分析
梁式转换层结构的传力途径为墙———梁———柱 （墙）的形式，传力直接，便于分析计算。转换大梁的受力主要受上部剪力墙刚度、剪力墙与转换大梁的相对刚度和转换大梁与下部支撑结构的相对刚度影响。为弄清转换梁结构与上部墙体共同工作的性能，通过以往工程中对转换梁承托层数对其内力的影响进行用有限元程序进行了分析，从分析结果中我们知道，对一般结构转换大梁（跨度小于12m），上部墙体考虑三层与考虑4 层、5 层内力的设计控制内力差异不大于5%，故在分析计算时可只考虑计算3 层。从计算分析不论转换大梁上部墙体的形式如何，只要墙体有一定长度，转换大梁中的弯矩就会比不考虑上部墙体作用要小，同时转换大梁也会有一段范围出现受拉区。主要原因：一是由于转换大梁处于结构整体弯曲的受拉区，应力积分后在转换大梁中就会出现轴向拉力，二是由于上部墙体竖向力作用于转换大梁时形成了拱的传力方式，这样竖向力转变成斜向力作用于转换大梁，从而在转换大梁跨中出现拉力，支座出现轴向压力的情况。
二、梁式转换层结构的设计与构造
由框支主梁承托转换次梁及次梁上的剪力墙，其传力途径多次转换，受力复杂。框支主梁除承受其上部剪力墙的作用外，还需要承受梁传给的剪力，扭矩和弯矩，框支主梁易受剪破坏。对于有抗震设防要求的建筑，为了改善结构的受力性能，提高其抗震能力，在进行结构平面布置时，可以将一部分剪力墙落地，并贯通至基础，做成落地剪力墙与框支墙与剪力墙协同工作的受力体系。
1、转换梁的设计与构造要求
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配箍率。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、下连梁必须采取加强措施，箍筋要加密，以增强其抗剪能力。上、下连梁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。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%，转换梁中主筋不宜有接头，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入柱内。
2、框支柱的设计与构造要求
框支柱截面尺寸一般由其轴压比计算确定。地震作用下框支柱内力需调整：抗震设计时，框支柱的柱顶弯矩应乘以放大系数，并按放大后的弯矩设计值进行配筋；剪力调整：框支柱承受的地震剪力标准值应按下列规定采用：框支柱的数目不多于1 0根时，当框支层为1～2层时，每层第每根柱承受的剪力应至少取基底剪力的2%；当框支层为3层及3层以上时，各层每根柱所受的剪力应至少取基底剪力的3%；框支柱的数目多于10根时，当框支层为1～2层时，每层每根柱承受的剪力之和应取基底剪力的20% ；当框支层为3层及3层以上时，每层框支柱承受剪力之和应取基底剪力的30%；框支柱剪力调整后，应相应调整框支柱的弯矩及柱端梁的剪力、弯矩，框支柱轴力可不调整。
框支柱全部纵向钢筋配筋率，抗震等级一级时不小于1.2%，二级时不小于1.0%，三级时不小于0.9% 、四级及非抗震设计时不小于0.8% 。纵向钢筋间距抗震设计时不大干200MM，且不小于80MM，全部纵向钢筋配筋率不宜大于4 % 。
3、转换梁的截面设计方法
应力截面设计方法：对转换梁进行有限元分析得到的结果是应力及其分布规律，为能直接应用转换梁有限元法分析后的应力大小及其分布规律进行截面的配筋计算，假定不考虑混凝土的抗拉作用，所有拉力由钢筋承担钢筋达到其屈服强度设计值。受压区混凝土的强度达到轴心抗压强度设计值。
4、转换梁截面设计方法的选择
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。当转换梁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。
5、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。由于此时转换梁跨中较大范围内的内力比较大，故底部纵向钢筋不宜截断和弯起，应全部伸入支座。当转换梁承托上部墙体为小墙肢时，转换梁基本上可按普通梁的截面设计方法进行配筋计算，纵向钢筋可按普通梁集中布置在转换梁的底部。
三、转换梁设计的注意点
1、转换梁设计占高层建筑转换层设计的决大多数，在实际应用中，通常把转换层作为设备层来使用。因此，在转换梁设计中要考虑腹部开口相对大小和开口位置。
2、要充分考虑转换梁与上部结构共同工作的程度，通常分为完全、部分和没有共同工作三种情况来分析，否则会造成梁的跨中弯矩和支座剪力与实际情况发生很大差异。
3、尽量避免转换层与下部结构竖向刚度产生突变，对下部结构在满足建筑物使用功能要求的基础上，应提高下部结构的截面尺寸，增加剪力墙、提高混凝土的强度等级，一般转换层混凝土强度等级应不低于C30。
4、设计时要充分考虑施工的可操作性和满足建筑外观的要求。
结束语
总之， 在带有梁式转换层的高层建筑设计中， 转换层设计是结构设计的一个难点， 更是不同形式结构体系转换的关键点， 设计时应不断研究和进行方案比较， 在可能的情况下做出较优的技术方案才能实现安全、适用、经济等综合目标。
参考文献：
[1] 章斌全. 框支剪力墙转换层结构设计探索[J].工程建设与设计. 2003（2）
[2] 高雪峰 . 转换层结构设计的改进建议[J].建筑技术开发. 2003（3）
[3] 罗柳毅. 梁式转换层在高层建筑中的应用[J]. 广东土木与建筑. 2000（02）
[4] 苏伟成. 高层建筑梁式转换层设计探讨[J]. 科学之友. 2011（12）