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1、梁式转换层结构及设计要点2015年7月4日目录一、转换层分类21.根据结构功能分类22.根据转换层结构类型分类33.各结构类型转换层概述33.1.梁式转换层33.2.桁架式转换层33.3.箱式转换层43.4.板式转换层4二、转换层设计理念及要点41.设计原则42.设计要点5三、梁式转换层设计81.梁式转换层结构受力分析81.1.框支剪力墙结构受力特点81.2.托柱转换结构的受力特点101.3.框支梁和托柱梁的区分112.梁式转换层结构设计原则112.1.梁式转换层结构的平面布置122.2.梁式转换层结构的竖向布置122.3.梁式转换层结构的转换层楼盖设计133.梁式转换层结构构件设计及构造14
2、3.1.框支梁和托柱转换梁的设计与构造143.2.框支柱的设计与构造153.3.框支梁上剪力墙与托柱转换梁上框架柱的设计与构造163.4.转换层楼板的设计和构造184.总结及建议19随着高层建筑向着体型复杂、功能多样的综合性方向发展，为人们提供了更加良好的生活环境，在同一座建筑中，沿同一高度方向建筑功能经常要发生变化，上部布置小开间的旅馆、住宅；中部作为办公用房；下部楼层则要求提供商场、餐饮、娱乐等尽可能大的空间，所以从建筑功能上说，从上部到下部，其柱网、间隔要求是“从密到稀”。而从结构功能来看，由于高层建筑结构下部楼层受力很大，上部楼层受力小，正常的结构布置应是下部刚度大，墙体多、柱网密，从
3、上到下柱网及间隔要求是“从稀到密”，而若按照这般设计，结构的正常布置与建筑功能对空间的要求则正好相反。因此，为了满足建筑功能要求，结构设计必须进行一定的“反常规设计”，即将上部布置为小空间、下部布置为大空间；上部布置刚度大的剪力墙，下部布置刚度小的框架柱，为了实现这种结构布置，则需要在结构转换的楼层设置水平转换构件，即转换层结构。一、转换层分类1.根据结构功能分类按照转换层结构功能的不同，一般可分为以下三类：（1）建筑上、下部分之间结构类型的转换，转换层将上部剪力墙转换为下部框架，以创造一个较大的内部自由空间。这种转换层广泛用于剪力墙结构和框架剪力墙结构中；（2）建筑上、下部分之间柱网、轴线的
4、改变，转换层上、下部分结构形式没有改变，而是通过转换层使得下部结构柱距扩大，形成大柱网。这种转换层常用于外框筒的底部形成大入口的情况；（3）同时转换结构形式和结构轴线位置，上部楼层剪力墙结构通过转换层改变为框架的同时，柱网轴线与上部楼层轴线错开，形成上、下结构错位的布置。2.根据转换层结构类型分类而一般来说，为了便于根据转换层本身结构类型来分析和计算建筑结构整体，根据转换层结构形式，转换层归纳为四种基本型式：梁式、桁架式（及空腹桁架式）、箱式和厚板式。 梁式结构的转换层一般在转换层的楼面设置纵横交错的钢筋混凝上承重大梁，当需要纵横墙同时转换时，则需设置双向转换梁，它多用于框支剪力墙结构即上层为
5、剪力墙结构下层为框架结构的转换。3.各结构类型转换层概述3.1.梁式转换层梁式转换层一般在转换层的楼面设置纵横交错的钢筋混凝上承重大梁，是国内应用最广的转换结构型式，占总数的85%以上。梁式转换层传力明确，途径清晰，受力性能好、工作可靠、构造简单、施工方便，工程计算、分析以及设计较为简单，且不需要较高的成本造价,但是梁式转换层中易出现短柱和结构整体工作性能不强等方面的问题，并且当转换梁跨度较大时，要求转换梁截面也较大，其质量和抗侧刚度也相应较大，因而地震反应较大。3.2.桁架式转换层桁架式转换层是由梁式结构转换而来的，整个转换层由多榀钢筋混凝土桁架组成承重结构，桁架的上下弦杆分别设在转换层的上
6、下楼面的结构层内，层间设有腹杆。由于上下弦杆的高度较高，所以上下弦杆的截面尺寸相对较小。桁架式转换层具有传力明确、传力途径清楚的特点，可利用空间更大且自重小，抗震性能好。转换桁架不仅使开洞与设置管道方便，而且洞口及管道的位置和大小具有很大的灵活性，使充分利用转换层的空间成为可能。桁架式转换结构抗侧力刚度和自重比转换梁小，使得带桁架式转换层高层建筑的质量和刚度突变相对缓和，地震反应比带转换梁的高层小很多。但由于桁架式转换层节点受力状态复杂，容易发生剪切脆性破坏，设计难度大，计算配筋多，施工不便，上述缺点限制了桁架转换的应用。桁架转换层一般要求高度在3m以上，当层高较小时斜压腹杆易形成超短柱，在地
7、震作用时容易产生脆性破坏。3.3.箱式转换层箱形转换层是通过一整层来达到具有较大刚度和承载力的一种转换结构，实际上也是由梁式结构转换层变化而来。在这一转换层中，楼层上下面的同一轴线上均设一道大梁，梁间是钢筋混凝上墙，构成类似于桁架的大型组合梁结构。纵横两向的组合梁交叉成梁格,大部分交叉处有底层通上来的柱子,底板和顶板都是钢筋混凝土厚板,这样便形成一个箱形刚性层。在该层的腹板中可以选择适当位置开设管道和人通行孔洞。箱式转换层四周和内部的转换大梁互相连接，加上上下两层较厚的楼板，使其刚度很大，可以向上部竖向结构提供更大的约束，并能很好地适用于体型复杂、功能繁多的结构，能够更为灵活地实现建筑物的功能
8、。由于箱式转换层可以作为一个整体来承受外力作用，在一定程度上可克服应力集中，使应力分布趋于合理，其受力性能优于一般的梁式转换。但箱式转换层自身刚度较大，大空间的底层或下部几层的结构平面需进行合理布置，保持一定的刚度，避免在抵抗水平力时因底层刚度削弱而产生较大的相对位移，造成破坏。3.4.板式转换层板式转换层通常用于上下层既有结构类型的改变又有柱网、轴线变化的情况，转换层上下柱网若存在较多的错开，没有按照次序布置，无法采用梁进行承托，则需要采用板式转换层，整个转换层是一块厚达2.03.0米的实心钢筋混凝上承重板。对于体型复杂的商住楼，特别是多塔楼体系，上部住宅单元剪力墙布置很不规则，而下部商场要
9、求规则大柱网，难以布置转换梁和桁架，采用厚板转换层成为一种较好的选择。有的厚板转换层在一定部位也设有暗梁，以满足上部结构的变化要求。板式转换层一方面使得工程上下结构灵活布置，另一方面却使得传力过程复杂，结构分析计算繁冗，同时由于抗剪和抗冲切的需要，转换板厚一般在2m以上，厚板集中了很大的刚度和质量，不仅需要花费较多的材料，存在较大的施工难度，而且容易造成转换层质量和刚度的突变，使得转换层临近楼层形成薄弱层，地震反应强烈，不利于建筑物抗震。 从整体上看，板式转换的力学性能和经济指标均较梁式差。二、转换层设计理念及要点1.设计原则1.1.保证刚度转换结构可根据其建筑功能和结构传力要求，沿高层建筑高
10、度方向一处或多处灵活布置(也可根据建筑功能的要求，在楼层局部布置转换层)，且自身的这个空间既可作为正常使用楼层，也可作技术设备层，但应保证转换层有足够的刚度，以防止沿竖向刚度过于悬殊。当建筑物较高柔(例如框架-筒体结构)，整体刚度有可能不足时，在结构竖向的一定部位设置水平刚性楼层(即加强层)，人为地加强结构的整体弯曲效应，这时转换层可同建筑物的加强层、设备层等统一考虑。对大底层多塔楼的商住建筑，塔楼的转换层宜设置在裙房的屋面层，并加大屋面梁、板尺寸和厚度，以避免中间出现刚度特别小的楼层，减小震害。1.2.竖向结构落地布置转换层上下主体竖向结构时，注意使尽可能多的上部竖向结构能向下落地连续贯通，
11、尤其框架核心筒结构中核心筒应上下贯通，使传力更为直接。布置转换层上下主体竖向结构时，注意尽量使水平转换结构传力直接，尽量避免多级复杂转换，慎重采用传力复杂、抗震不利的平厚板转换，如上下柱网确实无法对齐时，尽量采用箱形转换。1.3.优化转换层转换结构构件在平面上的布置，必须与相邻层柱网统一考虑。结构抗震设计时，当建筑功能要求不得已采用高位转换时，转换结构还得优先选择不致引起框支柱柱顶弯矩过大、柱剪力过大的结构形式，如斜腹杆析架(包括支撑)、空腹析架和宽扁梁等，同时应注意其满足强度刚度要求。1.4.强化下部、弱化上部为保证下部大开间整体结构有适宜刚度、强度、延性和抗震能力，应尽量强化转换层下部主体
12、结构刚度，弱化转换层上部主体刚度。对于带转换层的剪力墙结构或筒体结构，可采取以下措施：强化下部结构，加大筒体及落地墙厚度、提高混凝土强度等级、必要时可在房屋周边增置部分剪力墙、壁式框架或楼梯间筒体、提高抗震能力；可采取以下措施弱化上部剪力墙：不落地剪力墙开洞、开口、减小墙厚等，并尽量避免高位转换。2.设计要点2.1.控制刚度比刚度比主要为了控制转换层结构的竖向规则性，以免竖向刚度突变，形成薄弱层。抗震设计的高层建筑结构，其楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的70%或其上相临三层侧向刚度平均值的80%，以更加灵活和自由的设计方式使得设计的思路可以得到不断的完善，满足实际使用的需求。以一般的
13、梁式转换层而言，虽然转换层框支柱在与框支梁的内交角处有明显的应力集中现象，但无论是在垂直荷载或是水平荷载作用下，除柱端截面以外，框支柱的弯矩和剪力都比较小，框支柱主要承受轴压力，转换层以上墙体的垂直荷截不能借助楼板平面内的刚度传递给落地剪力墙。2.2.结构布置带转换层结构的结构布置除了应符合建筑抗震设计规范高规等对于建筑结构的平面及竖向布置的规定外，还应满足以下规定:1) 不应对边榀剪力墙进行框支转换；不应在结构底部抽取角柱，形成托柱转换，不应在角部剪力墙的底部开设转角大洞形成框支转换。2) 纯框架结构抗侧刚度小，地震力作用下侧向变形大，下部为大空间且带转换层框架下柔上刚在地震力作用下非常容易
14、破坏，所以必须设置落地剪力墙来提高建筑物抗震性能。落地剪力墙和框支柱应符合下列条件:a落地剪力墙应对称、成对布置，优先采用型钢混凝土剪力墙，相对普通混凝土剪力墙，型钢混凝土剪力墙抗震性能好，耗能系数高，减少了截面面积，提高了承载力，能有效降低层最大剪力、最大位移和层间位移角。b框支柱可以选用型钢混凝土柱、钢管混凝土柱、柱内部设置芯柱的钢筋混凝土柱，这些柱能有效降低轴压比，具有承载力大，延性好的优点。c转换层周围楼板不应错层布置，不应在大空间范围内开大洞口。楼梯间、电梯间处周围的落地剪力墙应围成筒体。3) 转换层上下结构刚度的突变对建筑物抗震非常不利，结构设计时首先应该增强转换层下部结构的抗侧刚
15、度，同时减小转换层上部的抗侧刚度，最终要使转换层上下结构刚度相差不大。抗震设计时，结构的地震作用效应不仅与刚度有关，还与其质量有关。结构的动力性能取决于结构质量、阻尼和刚度。在转换层结构中，转换层一般集中较大的质量，其质量对下部结构的动力特性影响较大，但对上部结构的动力特性影响较小，结构设计中采用的等效抗侧刚度比意义就不大了。转换层位置越高，转换层上下部结构在地震作用下的变形效应越大，转换层上下部结构等效侧向刚度比的作用更加有限。综上所述，根据地震作用效应来控制比较合理，可采用转换层下、上层结构层间位移角比来控制转换层下上部结构构件内力和位移突变。转换层上下结构层间位移角比能准确反映转换层上下部结构楼层侧向刚度比、质量比、楼层层间抗侧力结构的受剪承载力比，对抗震设计有重要的意义。2.3.楼盖结构2.3.1.楼盖作用及选型原则楼盖对于建筑结构作用非常重要，作用如下:1) 承受竖向荷载，将竖向荷载传递给梁、柱、墙、基础。2) 提供足够的面内刚度，传递水平荷载到各个竖向抗侧力构件，使得整个结构协调工作。楼盖的选型原则: 1) 应有足够的承载力和面外刚度。2) 应有足够的面内刚度，且整体性好。3) 楼盖自重要轻。2.3.2.楼盖构造1) 转换层楼板在平面内承受并传递很大的内力，其面内刚度大小对大空间层竖向
