梁式转换层结构设计

近年来国内外高层建筑发展迅速, 其建筑向着体型复杂, 功能各样的综合性方向发展。在同一栋建筑物中, 沿高度方向建筑功能也是各样化的, 如上部楼层布置旅馆、住宅;下部作产商店、餐馆、文化娱乐设施。这就要求下部具有大空间, 以致建筑下部与上部结构体系形式有较大差异, 因而往往需要采用转换层结构。转换层结构一般可以归纳为以下五种形式:梁式转换结构、桁架转换结构、空腹桁架转换结构、箱形梁转换结构和厚板转换结构。其中, 梁式转换层结构是目前高层建筑中使用最多的转换层结构形式, 其传力途径采用墙 (柱) —转换梁—柱 (墙) 的形式, 具有传力直接、明确和清楚的优点。构造上相对其它转换形式更简单、施工更方便。

1 梁式转换层的主要结构形式

实际工程中转换梁的形式是各种各样的。从跨数上, 可以分为单跨、双跨及多跨;从上部墙体分布形式上, 可以分为满跨和不满跨, 开洞和不开洞, 开门洞和开窗洞;从转换梁形式上, 可分为加腋和不加腋等。

根据实际工程中转换梁的应用形式、受力特点及其上部结构形式, 可将梁式转换层的结构类型归纳为图1所示几种形式。

2 转换梁与上部构件共同工作的特性

转换梁是由于建筑物上下部结构形式不一致, 结构构件在竖向不能连续贯通而设置的水平转换构件。所以, 转换梁的受力情况主要受到上部结构构件的影响。上部楼层墙、柱的不同布置, 不同截面, 都会对转换梁内力计算结构产生不同的影响。同样, 转换梁上部楼层的梁截面的改变, 也会对转换梁内力计算结构产生不同的影响。为了研究上部结构构件对转换梁受力特征的影响, 本人采用SATWE程序对同一工程中, 转换梁上部楼层梁采用不同的截面高度, 分别进行了比较分析。

2.1 工程简介

本工程为一栋十五层框支剪力墙结构。单层地下室, 首层和二层为商铺, 要求大空间 (柱网在7.5m~8.5m之间) , 层高4.5m;三层及以上层为住宅 (柱网在3.6m~4.5m之间) , 层高3.0m。三层以上楼层的竖向构件与三层以下的竖向构件不能连续贯通, 为满足下部商铺大空间的使用要求, 在三层处采用了梁式转换层结构。

2.2 具体分析比较

现取其中一跨分三种情况进行比较分析。

[方案一] (图2a) 转换梁截面0.5m×1.4m, 净跨6.95m, 转换梁上部三层 (4~6层) 连梁截面尺寸

0.2m×1.5m, 其余各层 (7~15层) 连梁截面0.2m×0.6m。

[方案二] (图2b) 转换梁截面0.5m×1.4m, 净跨6.95m, 转换梁上部各层 (4~15层) 连梁截面尺寸0.2m×1.5m。

[方案三] (图2c) 转换梁截面0.5m×1.4m, 净跨6.95m, 转换梁上部各层 (4~15层) 连梁截面尺寸0.2m×0.6m。

三种方案计算结果的相关数据见表1 (ln为转换梁净跨) 。

由表1数据可知, 方案一和方案二的弯矩 (M) 、剪力 (V) 均相差不大, 最大的差距仅为5.8%;而方案三的各项数值均比方案一、二大很多, 支座弯矩增大了109.5%, 跨中弯矩增大了34.6%, 支座处剪力增大了35.0%, 跨中剪力增大了62.7%。

由以上数据说明了转换梁上部墙体的连梁高度对转换梁的受力有很大影响。若转换梁以上墙体连梁刚度足够大, 使其与转换梁形成桁架结构, 结构受力形式就可以由单独一根转换梁承受上部各层竖向荷载改变为转换梁与各连梁共同承受竖向荷载, 由单层支承变为多层支承。所以方案一、二算出转换梁的内力明显小于方案三的内力。其中方案一在转换梁以上三层墙体的连梁高度为0.2m×1.5m, 其余为0.2m×0.6m;方案二转换梁以上墙体的连梁高均为0.2m×1.5m。方案一、二的计算结果相差不大 (最大的仅为5.8%) , 这说明对转换梁计算结果产生影响的上部墙体连梁仅为三~四层, 其余以上各层梁高度变化对转换梁影响不大。由于方案三转换梁以上墙体的连梁截面为0.2m×0.6m, 其刚度相对较小, 与转换梁共同工作体系不明显。故方案三转换梁内力比方案一、二的明显增大。

转换梁以上各连梁内力数值见图3。由图3中各线形可看出, 方案一、二在四~六层中, 连梁内力明显大于方案三同层连梁内力, 而且变化很大。到七层以上内力值明显减小, 而且变化不大, 趋于平缓。从方案三的曲线图可看出, 其数值由四层至顶层均匀变化, 逐层减小并无突变。把三个方案由转换梁开始至顶层各梁内力相加, 其总和相加, 其总和相当接近, 差值最大的只有6.9%。这就说明了无论是那一个方案, 在竖向荷载作用下, 各内力值总和变化不大。方案一、二在转换梁处内力小于方案三, 但在转换层以上各连梁内力总和却大于方案三。这就说明了方案一、二中, 转换梁及以上各梁形成了共同受力体系, 竖向荷载由各梁共同承担, 受力体系由原来的单层支承 (如方案三) 变为多层支承, 避免了荷载过分集中于转换梁, 以至转换梁受力过大。

由图3中还可以看出, 内力变化明显的只有转换梁以上三层连梁, 其余连梁变化不大。即在考虑转换梁以上楼层对转换梁影响时, 可只考虑转换梁以上三~四层即可。同时, 若要转换梁和以上楼层梁达到共同工作的效果, 就不能盲目增大转换梁高度, 以免刚度过分集中, 以至转换梁受力过大, 反而不利。

3 结语

通过对另外别的几个工程进行同样的对比计算, 也得出相同结果。所以, 在转换梁的设计中, 如果条件许可的话, 可以通过加大转梁以上楼层梁的刚度, 使各梁与转换梁形成一个共同受力体系, 以减小转换梁的受力和配筋。这样, 转换梁的施工就会因梁高和配筋量的减小而变得简单多了。

摘要：一般来说, 当建筑物上部楼层竖向结构体系或形式与下部楼层不同, 竖向构件不能直接连续贯通到下层, 就必须在结构改变的楼层设置水平转换构件, 即结构转换层。而梁式转换层结构是目前应用较多的一种形式。

关键词：转换层,转换梁,大空间

参考文献

[1] 唐兴荣.高层建筑转换层结构设计与施工[M].中国建筑工业出版社.

[2] 方鄂华.多层及高层建筑结构设计[M].地震出版社.

[3] 郭继武.建筑抗震设计[M].等教育出版社.