托柱梁式转换层结构设计及分析

关键调：托柱梁式转换层，力学分析，受力特点，强度 　 

　　现代高层建筑为了满足底部为大空间、上部为小空间使用功能上的要求，往往需要通过加设转换层结构形式来实现。托柱梁式转换层结构是目前高层建筑中实现垂直转换最常用的结构形式。由于其传力途径采用桂(墙)→转换粱→柱的形式，具有传力直接、明确和清楚的优点，便于工程计算，分析和设计，且造价较低，在实际中应用较广。 　 

　　1.托柱粱式转换层的结构形式特点 

　　1)通过托柱梁式转换层，实现了上层和下层柱网的改变。在建筑物底部形成大空间，而上部形成小空间。 

　　2)托柱转换梁受其上部柱传下的巨大竖向荷载，构件内力很大，因此，竖向荷载成了控制转换结构设计的主要因素。 

　　3)转换梁跨度数倍于上部结构的跨度，且是上面柱的支点，所以转换梁竖向挠度成为严格控制目标。 

　　4)结构中由于设置了转换层，沿建筑物高度方向刚度的均匀性会受到很大破坏，力的传播途径也有很大改变，这决定了转换层结构不能以通常结构来进行分析和设计。 　 

　　2.托柱梁式转换层受力机理分析 

　　1)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。当转换梁承托上部斜杆框架时，转换梁将承受轴向拉力，此时处于偏心受拉状态。 

　　2)钢筋混凝土结构中的楼板，通常是由垂直荷载来进行设计，而对于转换层结构，抗侧力结构沿竖向刚度发生突变，转换层楼板要完成上下层剪力的重分配，在其自向平面内要传递较大的水平力，在强震作用力下更加明显，此转换层楼面内力较大，除橼助转换梁工作外，楼盖还要承受上部结构竖向构件传来的水平力以传递到下部结构竖向构件上去。为此，此转换层楼盖板厚度一般不宜小于20cm。 

　　3)转换梁的工作情况不同于理想状态的框支梁。转换梁支托的上部结构常常不规则布置、不规则开洞，尽管转换梁与上部结构必定要协同工作，但工作状态却较为不利。一般来讲，上部结构几乎很难帮助转换梁工作。在上部结构传来的垂直、水平荷载作用下，转换粱截面上的正应力、剪应力都很大。为提高整个转换梁及其支托的上部结构的刚度，改善由于转换梁变形引起的上部结构附加二次应力，保证转换梁结构具有良好的抗剪、抗弯承载能力和刚度延性，转换梁的断面一般可由转换粱支托上部结构传来的垂直荷载产生的剪力通过控制剪压比为0.07～0.1来控制确定。  

　　3　托柱梁式转换梁在结构设计中需注意的问题 　 

　　1)转换梁在实际工程中的高跨比h/LEl／8～1／6，因此转换梁是一种介于普通梁和深梁之间的梁。 

　　2)托柱转换梁在常用尺寸范围内，可按普通梁截面设计方法进行配筋。但转换梁又有不同于普通粱的特性。带转换层的高层建筑结构，在转换层结构及其上下若干层的主体结构筒，墙、框、框架中应力比较集中、复杂，设计在整体计算控制的前提下还必须辅以该部分局部结构的有限元分析。转换梁的配筋不同于普通框架梁，有些类似干深梁，转换梁水平腹筋应按有限元计算分析得到的截面拉应力控制。转换梁支托的上部剪力墙端部小墙肢应力十分集中，也应按有限元计算结果来配筋加强。 

　　3)实际的钢筋混凝土结构，除承受正常的垂直、水平荷载外，还将受到混凝土收缩、徐变温差等非荷载效应的影响。转换层结构断面比较大，应力比较复杂，这些影响更为尖锐。 

　　4)转换层上、下侧向刚度比目前是按楼层剪切刚度比来控制的，没有考虑竖向构件的布置问题，尤其不适用于托柱转换层上、下结构刚度比的计算。这里需要指出的是，由于转换梁支托的上部结构是随施工逐层形成，上部结构刚度不可能一次全部形成共同参与承受施工阶段的垂直荷载，为偏于安全和提高转换粱刚度，保证整体结构能处于比较好的承载状态，在确定转换梁断面时可采用其支托的全部上部结构传来的垂直荷载产生的剪力，而不考虑上部结构参与工作的有利因素。用这种方法设计控制的转换梁一般能较好地满足刚度、强度、廷性的要求。 

　　5)高层建筑中，由于设置了转换层，沿建筑高度方向刚度的均匀性会受到很大的破坏，托柱粱式转换层竖向承力柱不连续以及柱截面突变，导致传力路线曲折、变形集中及应力集中，造成转换层结构抗震性能较差。这就要求设计者在布置上部主体结构、下部主体结构时，要尽量注意上下协调，尽可能多的上下连续。即首先在可能的情况下尽量减少主体结构的转换，核心筒、剪力墙、框架柱等竖向主体构件能上下连续的尽量连续，以保持结构的传力直接、刚度连续、既经济又合理。当然，连续的竖向构件不等于它们的断面沿竖向不变化，连续的竖向构件过了转换层进入上部结构后，断面可以减小，以保持转换层上下结构的刚度匹配。 

　　6)要注意使转换层上下主体结构的层间剪切刚度匹配，对于上部剪力墙下部简体框架、剪力墙框架的结构，要注意适当增强下部筒体、剪力墙，适当减弱上部剪力墙，以使转换层上下部分主体结构层间剪切刚度之比尽量接近，且应不大于2。对于上部小柱网下部大柱网的结构，要注意上部框架梁断面适当减弱，下部框架梁断面适当加强，从而可以做到使上下两部分主体结构的层问剪切刚度十分接近。 

　　7)为了避免使转换梁与下层柱形成的框架出现“强梁弱柱”现象，以及合理提高转换梁的有效承载力。 

　　可以采取以下几种措施： 

　　a.设置多道转换梁来分担竖向传力。为了避免一根转换梁承托上部所有各层荷载，造成转换粱截面尺寸过大的不足，采用设置多道转换梁的方法，使一层转换梁承托上部所有层变成多道转换梁承托上部所有层的荷载，这样就可以有效降低单根转换梁上承受的荷载。 

　　b.在转换梁受剪力最大的地方通过加腋的方法增加转换粱的局部抗剪承载力。实际设计时，转换梁的截面尺寸往往是由其受剪承载力要求来决定的，受弯承载力对截面的要求并不是主要因素，梁在支座处的剪力较大，在此处加腋可以增强转换梁在支座区段的抗剪承载力，这样可以有效降低转换梁中部的截面尺寸。 

　　c.采用空腹桁架转换结构。 

　　d.利用预应力技术。 　 

　　四、结语  

　　随着技术、材料进一步的发展，我们结构工程师将不断采用新的结构形式和更加合理的力学模型来更好地满足高层建筑的功能和形式的多样性。