混凝土结构梁式转换层设计技术探讨

1、混凝土结构梁式转换层设计技术探讨摘要： 本文着重介绍了混凝土中梁式转换结构设计过程中的设计和计算原则， 分析了计算时的程序及参数。最后结合工程介绍了梁式转换结构的设计计算要点， 对同类工程设计具有参考价值。关键词：混凝土 转换梁 刚度 概念设计近年来， 随着土木工程技术的发展， 超高层、 大跨及重载等大型复杂结构工程大量兴建，带转换层的复杂结构已逐渐成为竖向不规则高层建筑中经常采用的一种满足其建筑功能及美学要求的结构布置方式。 由于带转换层高层建筑结构中竖向构件传力的不连续性， 造成结构上部荷载不能直接传递给下部对应的竖向构件，而是通过转换构件的内力重分配， 再向下传递给下部结构的竖向构件，

2、故转换构件相当重要而且受力非常复杂，本文详细介绍高层建筑中梁式转换结构的设计及计算要点。一、 梁式转换层结构形式一般建筑结构下部受力比上部大， 常理来说， 在建筑结构的设计中就要考虑下部的刚度要大于上部结构，采用的措施就是下部增加墙体、 增加柱网， 而上部逐渐减少墙柱的密度。 显然， 这在高层建筑设计中是不现实的，由于高层建筑的使用功能对空间要求却是下部大空间， 往上部逐渐减小， 因此对高层建筑结构的设计就要考虑反常规设计方法。在 高层建筑混凝土结构技术规程 （jgj3- 2002） 中，规范对转换梁的最小高度和宽度作如下规定：框支梁截面的宽度不宜大于框支柱相应方向的截面宽度，不宜小于其上墙体

3、截面厚度的2 倍， 且不易小于 400mm； 当梁上托柱时， 尚不应小于梁宽方向的柱截面宽度。进行抗震设计时转换梁高不小于其跨度的 1/6； 非抗震设计时，转换梁高不小于跨度的 1/8。从该设计规程中可知， 采取这些限制主要是保证转换梁结构的整体刚度， 增强结构的可靠性。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来支托上部结构。2 梁式转换结构受力机理分析梁式转换层结构的传力依次为墙 - 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

4、响。为弄清转换梁结构与上部墙体共同工作的性能， 文献中已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：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；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

5、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、设计原则1 概念设计结构抗震概念设计是抗震设计中非常重要的一方面。一般应尽量选择简单、 规则的平面布置， 竖向宜均匀或变化梯度小； 对楼盖开洞或连接较弱处要构造加强， 必要时采取拉梁或暗梁连接； 设计中，构造措施是对抗震设计的必要补充，抗震构造措施主要包括对框支柱、 转换梁、 落地与不落地剪力墙、 转换层板厚的最小截面限值和材料强度等级， 以及最小配筋率、 配箍率、 钢筋最小直径和锚固要求等，应严格按 高规 执行。 结构上下布置时，要特别注意不要使两个方向的短肢墙和转换梁支承于框支柱的角部，造成框支柱角部局部

6、受压严重的情形出现， 加强框支柱与上部短肢墙纵向钢筋的连接。2 传力要求转换结构中由于竖向构件传力的不连续性，造成结构上部荷载必须通过转换构件的内力重分配才能传递给下部结构的竖向构件，故转换构件相当重要而且受力非常复杂。 因此， 在布置转换层的竖向构件时，应合理布置底部大开间的柱网， 尽量使转换梁直接承托上部剪力墙， 减少转换次数，缩短传力路径， 避免主次梁的复杂转换形式。3 竖向构件轴压比限值应控制结构底部加强区剪力墙及其它部分剪力墙、框支柱及非框柱轴压比。 采用转换层后， 底部大空间的柱子要承受上部结构的巨大荷载。因柱距受建筑功能制约， 柱截面又要满足轴压比和上下层剪切刚度比的要求， 所以

7、框支柱极容易形成对抗震不利的短柱。因此，为提高结构的抗震性能，应减小柱截面， 可采用型钢混凝土柱。4 高位转换的处理随着高层建筑的迅速发展和框支剪力墙结构体系的广泛应用，为满足复杂建筑的需要， 转换层设置也来越高，一般设在 3-6 层， 有的工程设在 7-10 层， 甚至更高， 即： 位转换结构。在设计中应注意哪些问题， 这是工程设计人员迫切关注的。涉及安全与经济的问题， 须慎重考虑。三、 计算原则建立合理的计算模型是结构设计工作的关键。目前在实际工程设计中， 带转换层结构的计算分两步进行， 即整体结构计算和局部转换结构计算。1 整体结构计算分析高层建筑结构中， 转换层只是其中的一个部分， 在

8、进行转换构件内力分析前， 必须先对整个结构做整体计算分析。 采用符合实际受力变形状态的计算模型，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。 目前， 带转换层的结构计算时多选用三维空间整体结构计算分析软件，如中国建筑科学研究院编制的 tbsa， satwe 等程序。整体结构计算需采取两个以上不同力学模型的程序进行抗震计算，还应进行弹性时程分析计算并宜采用弹塑性时程分析校核。2 局部转换结构计算整体计算完毕后， 根据上部结构传递给转换层的荷载， 对转换构件局部采用平面有限元计算软件进行局部应力的补充计算。 计算时，转换结构以上至少要取两层结构进入局部计算模型，并注意模型

9、边界条件符合实际工作状态。此外， 进行局部分析时， 还应考虑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框支柱之间均设转换梁， 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。3 楼板分析在整体分析中， 转换层楼板采用了“楼板在平面内刚度无限大”的假定，因而得到了所有框支柱和剪力墙的位移相等， 水平力按框支柱和落地剪力墙的刚度按比例分配。实际上， 转换层楼板要将上部结构的水平剪力传递到底部结构上去，本身承受很大的平面内剪力， 同时又承受部分竖向荷载，楼板自身在平面内受力很大，有显著的