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摘要：介绍了高层建筑梁式转换层的结构形式，对高层建筑结构梁式转换层受力机理进行了分析，介绍了几种梁式转换层结构设计方法，同时指出进行转换梁设计时的注意点.
关键词：高层建筑；梁式转换层；受力机理；设计方法
1、概述
上世纪70年代中期，我国高层建筑发展开始加速，底部大空间结构的发展使得转换层结构朝着形式多样化、方法多样化、结构受力更有利的方向发展。转换层结构已成为现代高层建筑结构的发展趋势之一。结构转换层设计实现了建筑从小开间的住宅到中等开间的写字间，再到大空间的商场的变化成为可能。梁式转换层结构作为高层建筑中实现垂直转换的常用结构形式。本文主要从高层建筑梁式转换层的设计方法着手，对梁式转换层结构的受力原理进行分析，从而使梁式结构转换层的受力更加明了化。
2、梁式转换层结构形式和受力机理分析
我们知道，高层建筑结构下部受力比上部大，按常理来说，在高层建筑结构的设计中就要考虑下部的刚度要大于上部结构，采用的措施就是下部增加墙体、增加柱网，而上部逐渐减少墙柱的密度。显然，这在高层建筑设计中足且不现实的，因为高层建筑的使用功能对空间要求却是下部大空间，往上部逐渐减小，因此对高层建筑结构的设计就要考虑反常规设计方法。
在《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》，规范对转换梁的最小高度和宽度作如下规定：框支梁截面的宽度不宜大于框支柱相应方向的截面宽度，不宜小于其上墙体截面厚度的2倍，且不易小于400mm；当梁上托柱时，尚不应小于梁宽方向的柱截面宽度。进行抗震设计时转换梁高不小于其跨度的1/6；非抗震设计时，转换梁高不小于跨度的1/8。从该设计规程中可知，采取这些限制主要是保证转换梁结构的整体刚度，增强结构的可靠性。
2.1梁式转换层结构形式
实际工程中应用的梁式转换层结构有多种形式，主要原理就是利用下部的转换大梁来支托上部结构，根据其受力特点可分为以下儿种形式（图1）：
图1梁式转换层结构形式
2.2粱式转换结构受力机理分析
梁式转换层结构的传力途径为墙——梁——柱（墙）的形式，传力直接，便于分析计算。转换大梁的受力主要受上部剪力墙刚度、剪力墙与转换大梁的相对刚度和转换大梁与下部支撑结构的相对刚度影响。为弄清转换梁结构与上部墙体共同工作的性能，对转换梁承托层数对其内力的影响用有限元程序进行了分析，从分析结果中我们知道，对一般结构转换大梁（跨度小于12m），上部墙体考虑三层与四层、五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休的形式如何，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：一是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，二是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。受力示意图，见图2。
图2 转换大梁受力机理示意图
3、转换层结构的设计原则
转换层结构的概念：指在整个建筑结构体系中，合理解决竖向结构的突变性转化和平面的连续性变化的结构单元体系，为了满足城市建筑功能的要求，那么结构必须以与常规方式相反进行布置，上部小空间，布置刚度大的剪力墙，下部大空间，布置刚度小的框架柱。转换层的设置造成建筑物竖向刚度的突变，地震作用时在转换层上下容易形成薄弱环节，对结构抗震不利，所以在设计转换层结构时应遵循以下原则：
1.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，尤其框架核心筒结构中核心筒应上下贯通。
2.弱化上部，强化下部，抗震设计时应保证转换层上、下部主体结构的总剪切刚度比值满足下式：式中：分别为转换层上部第I楼层、下部第J楼层的主体竖向结构总剪切刚度。
3.尽可能减少需结构转换的竖向构件，直接落地的竖向构件越多，转换结构越少，转换层造成的刚度突变就越小，对结构抗震更有利。
4.优化转换层结构。选择具有明确传力路径的转换层结构型式，以便于结构分析设计和保证施工质量。
5.将转换结构作为整体结构中一个重要组成部分采用符合实际受力变形状态的计算模型进行三维空间整体结構计算分析。必要时可采用有限元方法对转换结构进行局部补充计算。
4、转换梁结构设计方法
转换梁的设计方法主要有：
1）按普通梁进行受弯构件承载力计算，但须采用高层建筑结构计算分析程序SATWE、TBSA或TOWER等；
2）按偏心受拉构件截面设计方法进行计算，但必须把有限元分析得到的转换大梁的内力转化为截面内力，然后进行正截面承载力和斜截面承载力计算。
3）直接用应力进行计算，利用高精度有限元法计算转换大梁截面沿高度方向的应力（σi、τi）假设所有拉力都由钢筋承担，利用以下计算公式进行正截面和斜截面承载力计算：
应力受拉区：
应力受压区：
设计剪力：
式中bi为所计算条带的截面宽度：△hi，为所计算条带的高度；σi、σi+1为所计算条带的币应力；τi、τi+1，为条带边缘的剪应力；m为截面划分的条带数。
4）由剪压比确定转换梁断面
关键词：高层建筑；梁式转换层；受力机理；设计方法
1、概述
上世纪70年代中期，我国高层建筑发展开始加速，底部大空间结构的发展使得转换层结构朝着形式多样化、方法多样化、结构受力更有利的方向发展。转换层结构已成为现代高层建筑结构的发展趋势之一。结构转换层设计实现了建筑从小开间的住宅到中等开间的写字间，再到大空间的商场的变化成为可能。梁式转换层结构作为高层建筑中实现垂直转换的常用结构形式。本文主要从高层建筑梁式转换层的设计方法着手，对梁式转换层结构的受力原理进行分析，从而使梁式结构转换层的受力更加明了化。
2、梁式转换层结构形式和受力机理分析
我们知道，高层建筑结构下部受力比上部大，按常理来说，在高层建筑结构的设计中就要考虑下部的刚度要大于上部结构，采用的措施就是下部增加墙体、增加柱网，而上部逐渐减少墙柱的密度。显然，这在高层建筑设计中足且不现实的，因为高层建筑的使用功能对空间要求却是下部大空间，往上部逐渐减小，因此对高层建筑结构的设计就要考虑反常规设计方法。
在《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》，规范对转换梁的最小高度和宽度作如下规定：框支梁截面的宽度不宜大于框支柱相应方向的截面宽度，不宜小于其上墙体截面厚度的2倍，且不易小于400mm；当梁上托柱时，尚不应小于梁宽方向的柱截面宽度。进行抗震设计时转换梁高不小于其跨度的1/6；非抗震设计时，转换梁高不小于跨度的1/8。从该设计规程中可知，采取这些限制主要是保证转换梁结构的整体刚度，增强结构的可靠性。
2.1梁式转换层结构形式
实际工程中应用的梁式转换层结构有多种形式，主要原理就是利用下部的转换大梁来支托上部结构，根据其受力特点可分为以下儿种形式（图1）：
图1梁式转换层结构形式
2.2粱式转换结构受力机理分析
梁式转换层结构的传力途径为墙——梁——柱（墙）的形式，传力直接，便于分析计算。转换大梁的受力主要受上部剪力墙刚度、剪力墙与转换大梁的相对刚度和转换大梁与下部支撑结构的相对刚度影响。为弄清转换梁结构与上部墙体共同工作的性能，对转换梁承托层数对其内力的影响用有限元程序进行了分析，从分析结果中我们知道，对一般结构转换大梁（跨度小于12m），上部墙体考虑三层与四层、五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休的形式如何，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：一是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，二是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。受力示意图，见图2。
图2 转换大梁受力机理示意图
3、转换层结构的设计原则
转换层结构的概念：指在整个建筑结构体系中，合理解决竖向结构的突变性转化和平面的连续性变化的结构单元体系，为了满足城市建筑功能的要求，那么结构必须以与常规方式相反进行布置，上部小空间，布置刚度大的剪力墙，下部大空间，布置刚度小的框架柱。转换层的设置造成建筑物竖向刚度的突变，地震作用时在转换层上下容易形成薄弱环节，对结构抗震不利，所以在设计转换层结构时应遵循以下原则：
1.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，尤其框架核心筒结构中核心筒应上下贯通。
2.弱化上部，强化下部，抗震设计时应保证转换层上、下部主体结构的总剪切刚度比值满足下式：式中：分别为转换层上部第I楼层、下部第J楼层的主体竖向结构总剪切刚度。
3.尽可能减少需结构转换的竖向构件，直接落地的竖向构件越多，转换结构越少，转换层造成的刚度突变就越小，对结构抗震更有利。
4.优化转换层结构。选择具有明确传力路径的转换层结构型式，以便于结构分析设计和保证施工质量。
5.将转换结构作为整体结构中一个重要组成部分采用符合实际受力变形状态的计算模型进行三维空间整体结構计算分析。必要时可采用有限元方法对转换结构进行局部补充计算。
4、转换梁结构设计方法
转换梁的设计方法主要有：
1）按普通梁进行受弯构件承载力计算，但须采用高层建筑结构计算分析程序SATWE、TBSA或TOWER等；
2）按偏心受拉构件截面设计方法进行计算，但必须把有限元分析得到的转换大梁的内力转化为截面内力，然后进行正截面承载力和斜截面承载力计算。
3）直接用应力进行计算，利用高精度有限元法计算转换大梁截面沿高度方向的应力（σi、τi）假设所有拉力都由钢筋承担，利用以下计算公式进行正截面和斜截面承载力计算：
应力受拉区：
应力受压区：
设计剪力：
式中bi为所计算条带的截面宽度：△hi，为所计算条带的高度；σi、σi+1为所计算条带的币应力；τi、τi+1，为条带边缘的剪应力；m为截面划分的条带数。
4）由剪压比确定转换梁断面