探討建筑結構設計中的梁式轉換層結構設計

郭勛

【摘要】我國建筑業的發展趨向高層化和超高層化建筑類型，這樣才能在有限的土地資源上解決我國眾多人口的安居問題。而高層結構建筑中轉換層結構設計必不可少，其中梁式轉換層結構傳力明確、經濟可靠、施工方便，在高層建筑的轉換層結構設計中應用的最為普遍。本文在此基礎上簡要的探討一下建筑結構設計中梁式轉換層結構設計的一些實用設計方法。

【關鍵詞】建筑結構設計；梁式轉換層；高層建筑；實用設計方法

1.前言

現如今的建筑行業發展趨向于高層建筑或超高層建筑，建筑向著體型復雜、功能多樣的高層綜合性方向發展。因為是高層建筑，從結構角度而言，過高的結構布置很容易造成豎向抗側力構件的不連續、樓層側向剛度及樓層受剪承載力的突變，這些是高層建筑帶來的技術困難。同時對高層建筑結構的豎向體系而言，因為結構更高，底部承壓受力更大，這樣就需要高層建筑下部剛度強度更大，墻體設置更多，柱網設置更密集，但是這樣的設置就會造成對高層建筑底層建筑的內部空間進行收縮和限制，就不能很好的滿足高層建筑對空間的需求了。這就需要結構轉換層來實現高層建筑功能需求不產生重大改變，在高層建筑中設計安裝轉換層結構，既可以保證高層建筑底部具有較大的室內空間和出入口，還可以實現上下層結構類型的轉換，上下層柱網、軸線的改變，這樣高層建筑既滿足了高層結構設計節約土地空間的要求又不會影響高層建筑的具體建筑功能，可以說轉換結構層具有非常重要的意義。

2.梁式轉換層的結構形式及特點

轉換層的主要結構形式有：梁柱體系、桁架體系（空腹桁架、斜桿桁架、混合桁架）、墻梁體系等。有常規的平面體系也有剛度很大的空間體系，但是目前高層建筑中使用最多的就是梁式轉換層結構，梁式轉換層結構具有傳力明確、經濟可靠、施工方便等特點，而且轉換梁可沿縱向或橫向平行布置。梁式轉換層結構使用一定要特別注意以下四點：一，豎向的受力和荷載因素成為控制梁式轉準結構構件設計的主要影響因素；二，梁式轉換層結構構件的豎向撓度測算指標參數一定嚴格控制；三，梁式結構轉換層的施工強度很大，施工過程也相對十分復雜；四，梁式轉換層結構側向剛度因為突變和傳力途徑變化不能隨意改裝和換取構件。下圖是梁式轉換層結構的常用形式：

3.梁式轉換層結構受力機理分析

梁式轉換層結構的傳力途徑是由墻到梁再到柱墻的形式，傳力過程是相對簡單直接的，而且這樣的一線式傳力非常便于計算。梁式轉換層結構的轉換大梁主要承受的是位于靠上位置的剪力墻帶來的剛度壓力、同時還要受到轉換大梁與下部支撐結構的一些剪力剛度的影響。對一般結構轉換大梁（跨度小于12m），上部墻體考慮三層與考慮4層、5層內力的設計控制內力差異不大于5%，故在分析計算時可只考慮計算3層。從計算分析不論轉換大梁上部墻體的形式如何，只要墻體有一定長度，轉換大梁中的彎矩就會比不考慮上部墻體作用要小，同時轉換大梁也會有一段范圍出現受拉區。主要原因：一，由于轉換大梁處于結構整體彎曲的受拉區，應力積分后在轉換大梁中就會出現軸向拉力；二，由于上部墻體豎向力作用于轉換大梁時形成了拱的傳力方式，這樣豎向力轉變成斜向力作用于轉換大梁，從而在轉換大梁跨中出現拉力，支座出現軸向壓力的情況。

4.梁式轉換層結構設計方案

4.1 計算分析

梁轉換層結構的內力計算方法主要有梁桿系模型計算分析法和有限元模型計算分析所謂桿系模型即直接用三維空間分析程序進行結構內力整體分析，求得轉換梁的內力作為設計依據，轉換梁一般按梁桿模型處理，而不考慮轉換梁與上部墻體的共同工作。當轉換梁截面高度等于或大于層高時，計算時轉換梁的位置取在其上皮標高處，下層層高取兩層層高之和。關于荷載的取用原則，對豎向荷載：計算簡圖頂部墻體上的豎向荷載取該層上部豎向荷載的累計值，其余各層的豎向荷載采用各自層的豎向荷載。對水平荷載：計算簡圖頂部墻體上的剪力作為該層的水平節點荷載，該層墻體的彎矩M換算成三角形分布的豎向荷載作用于計算簡圖頂部墻體上；其余各層則作用相應的水平節點荷載，其數值分別取本層墻體剪力與上層墻體剪力的差值，具體見下圖：

4.2 截面設計

目前梁式轉換層結構設計中截面設計最常用的方法是偏心受拉法，這種方法其實是將有限元分析得到的截面應力通過有效的換算變成截面內力再進行截面的設計和進一步計算的，通過偏心受拉法計算設計的梁式轉換層截面具有更好的拉伸力和承壓剪力。其中截面應力的分布規律如下圖所示：

4.3 轉換梁柱的設計

梁式轉換層的建筑結構設計很重要的一個構件設計就是轉換梁柱的設計，轉換層的梁和柱是梁式轉換層結構傳下來的豎向荷載的重要組成構件，又或者我們可以將轉換梁柱理解成是對轉換層建筑結構位于上方剪力墻壓力的一種承重構件，在整個梁式轉換層的結構中承受了比較大的力度和剛度；轉換梁柱還有一個重要作用就是可以將高層建筑結構高層位置的的水平方向剪力傳遞給低層位置的抗剪結構，這樣就能緩解高層結構的一部分承壓受力，雖然這樣底部所承受的平面內剪力就比較大，而且底部還要分擔著一些來自直線位置的豎向荷載，但畢竟有著樁基支撐，效果要比讓高層位置受力安全可靠的多。所以，轉換梁柱的設計尤為重要，要符合一定的剛度和強度，轉換梁柱的設計在整個的建筑轉換層結構設計中都有著重要的作用，應該引起我們的重視。

4.4 樓板的設計

高層建筑很明顯的一個特征就是絕大部分的剪力都承受在下部結構，這也導致了梁式轉換層的樓面首當其沖承受了非常大的剪力壓迫。所以我們在樓面的設計中一定要注意樓面的厚度還要在優化的后期過程中對樓面進行加厚，這樣才能保證的剪力的重新分配和樓面的平衡受壓，是梁式轉換層在高層建筑中保障高質量的結構設計。

5.結語

本文主要對高層建筑梁式轉換層結構設計進行了具體的分析和探討，通過本文的研究，我們認識到了梁式轉換層結構設計對于高層建筑結構設計的巨大作用，所以在以后進行高層建筑梁式轉換層結構設計的時候，我們應做好充足準備，好好進行梁式轉換層結構的設計工作，這樣才能確保高層建筑的質量安全和居住適用性。

參考文獻

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