高层建筑转换层结构设计分析

高层建筑转换层结构设计分析
摘要:本文主要结合工程实际，对高层建筑转换层结构设计中涉及到的偏心转换梁、带短肢剪力墙的转换层结构设计进行了分析。

关键词: 高层建筑；转换层；剪力墙；转换梁
中图分类号：tu398+.2文献标识码： a 文章编号：
转换层在建筑功能上主要表现为能提供大的室内空间;为建筑物提供大的入口;在高层建筑中部提供大空间。

因此，对于结构转换层的设计是比较复杂的。

1上部剪力墙偏置的转换梁的分析及设计方法
目前对转换梁的设计和分析一般是结合结构整体分析结果，再采用feq等平面有限元分析对转换梁进行辅助的局部分析，得到受力和配筋结果。

这种方法对于转换梁上部剪力墙比较规整的情况，计算结果具有足够的精度，基本能满足工程设计的要求。

但在实际工程中，上部墙体经常出现轴线垂直于转换梁轴线的不规则墙或短肢墙，以及墙体轴线与转换梁轴线上下不对齐的偏心剪力墙，这些情况均会在转换梁中形成较大的扭矩，但平面有限元却无法反映出这种扭矩所造成的出转换梁平面外的应力状况。

而事实上，应用三维实体有限元对转换梁进行分析可知，上部剪力墙偏置形成的扭矩在转换梁出平面外所造成的应力可以远远大于平面内主应力。

从结构稳定的角度看，深梁的失效往往是从受压区失稳，梁的侧翻开始的，在临界荷载作用下，梁上任何扭矩都可能引起失稳。

因此，对于上部剪力墙偏置的转换梁，首先要用有效的分析方法求得偏心转换梁
的内力，以便准确了解偏心扭矩对转换梁的实际影响程度；其次要采取有效措施化解偏心扭矩对转换梁的影响。

以广东一工程为例，转换层设在第5层，其上是26层的商住楼，原设计转换梁截面尺寸为800mm×2200mm，砼强度等级为c40，被托换的剪力墙厚为200mm，剪力墙的一端落在框支柱内，其余大部分由转换梁支承。

利用通用有限元程序sap2000的三维实体线弹性单元对偏心转换梁进行分析，取两层楼高的剪力墙参加计算。

从satwe空间计算的各种工况结果中，选取使转换梁产生最大剪力的一组工况：截面剪力q=5900kn，弯矩m=1873kn·m，扭矩t=821kn·m，当仅验算截面剪压比时，根据《建筑抗震设计规范》第6.2.9条，0.15fcbh0/γre≥q, 式中fc为混凝土轴心抗压强度设计值，b为梁、柱截面宽度或抗震墙墙肢截面宽度，h0 为截面有效高度，γ
re为承载力抗震调整系数，则0.15fcbh0/γre =0.15×19.1×800×2200÷0.85=5932kn>q=5900kn，满足要求。

但按《混凝土结构设计规范》第6.4.1条，验算弯、剪、扭共同作用下时截面是否符合下式：v/bh0+ t/0.8wt≤0.25βcfc ，式中，v为剪力设计值，b
为矩形截面的宽度，h0为截面的高度，t为扭矩设计值，wt为受扭构件的截面受扭塑性抵抗矩,βc为混凝土强度影响系数，fc为混凝土轴心抗压强度设计值,则v/bh0+ t/0.8wt=5.07n/mm2＞0.25βcfc=4.78n/mm2。

说明在弯、剪、扭共同作用下截面不足。

可见在有较大偏心扭矩存在的情况下，仅按通常做法验算截面剪压比是不够的，对转换梁的安全不利。

解决的办法是：在对应剪力墙的端部
加一条抗偏梁，约束转换梁的扭转，这样，偏轴墙造成的偏心扭矩就可以按此处的剪力墙和抗偏梁的线刚度及两侧的转换梁抗扭刚
度的比例分配，既：
φ(kw+ kb+ ktb1+ ktb2)=t
式中，φ为节点附加转角；kw为上部剪力墙的线刚度；kb为抗偏梁的线刚度；ktb1、ktb2为节点两侧转换梁的抗扭刚度。

针对该工程，在剪力墙端部加一条700mm×1000mm的抗偏次梁，重新计算的转换梁上扭矩峰值由821kn·m减少至386kn·m，在弯、剪、扭共同作用下，v/bh0+ t/0.8wt=4.20n/mm2＜0.25β
cfc=4.78n/mm2，截面满足要求。

由此可见，抗偏梁能有效抑制转换梁侧翻转角，减小转换梁扭矩及上部剪力墙出平面弯矩带来的墙内附加弯曲应力，使墙—梁平面假定有限元计算结果更可信，能减少转换梁的两端扭—剪联合作用的程度，使结构维持稳定。

另外，对于高位转换层结构，在相同砼用量前提下，采用高而窄的转换梁能提高层间抗侧移刚度，缓解转换层上、下刚度突变，带来的梁稳定问题可由抗偏梁解决。

当然，解决转换梁的扭矩，也可以采取加大截面，增加抗扭钢筋的方法，但这是一种在扭转变形前提下的被动的解决方式，而由于梁扭转变形给上部剪力墙带来的出平面变形和内力并未克服，且也不经济。

另外，采用箱形转换层，利用转换梁上下的转换层楼板来共同抵抗偏心扭矩也是可行的，但经济性肯定不如加抗偏梁的形式。

2合理调配框支柱、柱支梁截面，用精细化设计控制成本
转换层设计时框支柱应满足“高规”6.4.2条规定，一级时轴压比应小于0.6，二级时轴压比应小于0.7，如无特殊情况，框支柱满足轴压比要求时均为构造配筋（一级不应小于1.2%，二级不应小于1.0%）。

因此，设计时框支柱的截面尺寸以满足轴压比限值为准，过大则造成浪费。

有的设计人员为了尽量减小框支梁的截面尺寸，人为的拉大框支柱截面尺寸，用框支柱去“包住”上部剪力墙，却没有考虑到框支柱从转换层楼面算起，直到基础顶面，有时会高达20～30m，且全截面按构造的1.2%配筋率来配筋，所增加的砼及钢筋用量往往会超过框支梁节约下来的用量，且对侧移刚度并没有太大的贡献。

3结语
以上主要是针对偏心转换梁、带短肢剪力墙的转换层结构、精细化设计等经常遇到的设计问题和设计技巧做了较为详细的研讨。

在日常的转换层设计中，我们只有对转换层结构的设计足够重视，才能设计出更加优秀的作品。

参考文献：
[1] gb50011-2010，建筑抗震设计规范[s]
[2] gb50010-2010,混凝土结构设计规范[s]
[3] jgj3-2010,高层建筑混凝土结构技术规程[s]。