探讨建筑结构设计中的梁式转换层结构设计

郭勋

【摘要】我国建筑业的发展趋向高层化和超高层化建筑类型，这样才能在有限的土地资源上解决我国众多人口的安居问题。而高层结构建筑中转换层结构设计必不可少，其中梁式转换层结构传力明确、经济可靠、施工方便，在高层建筑的转换层结构设计中应用的最为普遍。本文在此基础上简要的探讨一下建筑结构设计中梁式转换层结构设计的一些实用设计方法。

【关键词】建筑结构设计；梁式转换层；高层建筑；实用设计方法

1.前言

现如今的建筑行业发展趋向于高层建筑或超高层建筑，建筑向着体型复杂、功能多样的高层综合性方向发展。因为是高层建筑，从结构角度而言，过高的结构布置很容易造成竖向抗侧力构件的不连续、楼层侧向刚度及楼层受剪承载力的突变，这些是高层建筑带来的技术困难。同时对高层建筑结构的竖向体系而言，因为结构更高，底部承压受力更大，这样就需要高层建筑下部刚度强度更大，墙体设置更多，柱网设置更密集，但是这样的设置就会造成对高层建筑底层建筑的内部空间进行收缩和限制，就不能很好的满足高层建筑对空间的需求了。这就需要结构转换层来实现高层建筑功能需求不产生重大改变，在高层建筑中设计安装转换层结构，既可以保证高层建筑底部具有较大的室内空间和出入口，还可以实现上下层结构类型的转换，上下层柱网、轴线的改变，这样高层建筑既满足了高层结构设计节约土地空间的要求又不会影响高层建筑的具体建筑功能，可以说转换结构层具有非常重要的意义。

2.梁式转换层的结构形式及特点

转换层的主要结构形式有：梁柱体系、桁架体系（空腹桁架、斜杆桁架、混合桁架）、墙梁体系等。有常规的平面体系也有刚度很大的空间体系，但是目前高层建筑中使用最多的就是梁式转换层结构，梁式转换层结构具有传力明确、经济可靠、施工方便等特点，而且转换梁可沿纵向或横向平行布置。梁式转换层结构使用一定要特别注意以下四点：一，竖向的受力和荷载因素成为控制梁式转准结构构件设计的主要影响因素；二，梁式转换层结构构件的竖向挠度测算指标参数一定严格控制；三，梁式结构转换层的施工强度很大，施工过程也相对十分复杂；四，梁式转换层结构侧向刚度因为突变和传力途径变化不能随意改装和换取构件。下图是梁式转换层结构的常用形式：

3.梁式转换层结构受力机理分析

梁式转换层结构的传力途径是由墙到梁再到柱墙的形式，传力过程是相对简单直接的，而且这样的一线式传力非常便于计算。梁式转换层结构的转换大梁主要承受的是位于靠上位置的剪力墙带来的刚度压力、同时还要受到转换大梁与下部支撑结构的一些剪力刚度的影响。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，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，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。

4.梁式转换层结构设计方案

4.1 计算分析

梁转换层结构的内力计算方法主要有梁杆系模型计算分析法和有限元模型计算分析所谓杆系模型即直接用三维空间分析程序进行结构内力整体分析，求得转换梁的内力作为设计依据，转换梁一般按梁杆模型处理，而不考虑转换梁与上部墙体的共同工作。当转换梁截面高度等于或大于层高时，计算时转换梁的位置取在其上皮标高处，下层层高取两层层高之和。关于荷载的取用原则，对竖向荷载：计算简图顶部墙体上的竖向荷载取该层上部竖向荷载的累计值，其余各层的竖向荷载采用各自层的竖向荷载。对水平荷载：计算简图顶部墙体上的剪力作为该层的水平节点荷载，该层墙体的弯矩M换算成三角形分布的竖向荷载作用于计算简图顶部墙体上；其余各层则作用相应的水平节点荷载，其数值分别取本层墙体剪力与上层墙体剪力的差值，具体见下图：

4.2 截面设计

目前梁式转换层结构设计中截面设计最常用的方法是偏心受拉法，这种方法其实是将有限元分析得到的截面应力通过有效的换算变成截面内力再进行截面的设计和进一步计算的，通过偏心受拉法计算设计的梁式转换层截面具有更好的拉伸力和承压剪力。其中截面应力的分布规律如下图所示：

4.3 转换梁柱的设计

梁式转换层的建筑结构设计很重要的一个构件设计就是转换梁柱的设计，转换层的梁和柱是梁式转换层结构传下来的竖向荷载的重要组成构件，又或者我们可以将转换梁柱理解成是对转换层建筑结构位于上方剪力墙压力的一种承重构件，在整个梁式转换层的结构中承受了比较大的力度和刚度；转换梁柱还有一个重要作用就是可以将高层建筑结构高层位置的的水平方向剪力传递给低层位置的抗剪结构，这样就能缓解高层结构的一部分承压受力，虽然这样底部所承受的平面内剪力就比较大，而且底部还要分担着一些来自直线位置的竖向荷载，但毕竟有着桩基支撑，效果要比让高层位置受力安全可靠的多。所以，转换梁柱的设计尤为重要，要符合一定的刚度和强度，转换梁柱的设计在整个的建筑转换层结构设计中都有着重要的作用，应该引起我们的重视。

4.4 楼板的设计

高层建筑很明显的一个特征就是绝大部分的剪力都承受在下部结构，这也导致了梁式转换层的楼面首当其冲承受了非常大的剪力压迫。所以我们在楼面的设计中一定要注意楼面的厚度还要在优化的后期过程中对楼面进行加厚，这样才能保证的剪力的重新分配和楼面的平衡受压，是梁式轉换层在高层建筑中保障高质量的结构设计。

5.结语

本文主要对高层建筑梁式转换层结构设计进行了具体的分析和探讨，通过本文的研究，我们认识到了梁式转换层结构设计对于高层建筑结构设计的巨大作用，所以在以后进行高层建筑梁式转换层结构设计的时候，我们应做好充足准备，好好进行梁式转换层结构的设计工作，这样才能确保高层建筑的质量安全和居住适用性。

参考文献

[1]吕革，吴菲. 谈高层建筑中梁式转换层结构设计在实际工程中的运用[J]. 中国新技术新产品，2012，12：198-199.

[2]王杰. 梁式转换层和桁架转换层结构设计方案对比分析[D].西南交通大学，2011.