陈焕恩 邓永伦
（广州瀚华建筑设计有限公司，510630）
[提要]：结合佛山市某超高层办公楼的结构设计，详细介绍了小剪跨比、偏心转换结构设计的特点、不同计算分析手段等设计过程及其优劣性，为以后类似工程的设计提供参考。
[关键词]：高层建筑 剪跨比 偏心转换梁
[Abstract]: Based on the structural design of a super high-rise office building in Foshan City, this paper introduces in detail the characteristics of the transfer structure design of the excentral transfer, the design process and its advantages and disadvantages of different design and analysis methods, which provides a reference for the design of similar projects in the future.
[Key Words]：High-rise building; Shear span ratio; Excentral transfer beams
一、工程概述：
翔海国际金融贸易中心项目原设计为地上30层（含4层裙房），地下4层的集商业、办公一体的综合性大楼，其中负一至三层为商业，四层为架空层，五层及以上为办公，标准层层高4.5m，地面以上的建筑高度为141.68m。上部结构采用钢筋混凝土框架-核心筒结构体系,施工至负一层（局部首层）后，由于开发经营策略调整，需进行改造。地面以上改为41层，设2层商业裙楼，标准层层高为3.4m，建筑总高度为141.7 m；塔楼最大高宽比为3.93。地下室负四～负二层为车库及设备用房，负一～二层为商业，三层为建筑减高需要设置，无实际使用功能，四层为设备转换层，五层及以上为采光良好的小开间式办公，其中新标准层平面有部分区域凸出原塔楼结构平面范围以外（导致偏心转换的原因之一）。结构改造的做法为：首层及以下的塔楼竖向构件的总体布局基本同原设计不变，已建的钢管柱基本不需加固，已建核心筒剪力墙根据功能及受力的需要进行局部的删减和包大处理。原竖向构件布置在新建上部结构中向上延伸至建筑四层楼面，四层及以上的竖向构件则按新的建筑功能重新布置框架-剪力墙结构体系，上下竖向构件的不连续变化在四层楼面通过转换梁转换。转换层结构布置平面如下图2所示，转换层上下层关系如下图3所示。
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图1 建筑效果图
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图3 转换层上下层关系示意图
二、转换层结构设计思路
本工程属于改造项目，为了避免大拆大改，争取较好的经济效益，设计原则是在满足建筑功能需求的前提下尽量利用已施工结构体系，故转换柱均利用已施工至首层的钢管混凝土柱，转换层的结构布置因此受到较大限制，呈现以下几个特点：
1. 偏心转换剧烈，且为了满足建筑要求,外围的剪力墙及框架柱与框支梁的外边缘平齐或者靠近,墙柱中心线与梁中心线的偏心有些可达1250mm,产生的扭距可高达31187kN.m。
2.转换梁剪跨比小，由于转换柱位置受限，上部墙柱落下来后，大部分离转换柱非常近，或者紧贴着。
3.间接转换数量多，传力路径不直接。
4.转换程度高，除了核心筒有较多剪力墙能落地之外，外框墙柱全部需要进行转换。
鉴于如此复杂的受力条件，采用厚板转换或许更适宜一些，然而由相邻地块孪生项目美华中心采用厚板转换后带来的一系列施工难点，以及审查单位、监督部门的高度重视，会造成了一些不可预见的工期增加。故本项目综合考虑还是采用施工相对简单、更易于接受的传统梁式转换，然后重点解决小剪跨比受剪、偏心转换的难题。
目前设计中常用的国产软件如YJK、PKPM、广厦,在高层结构的整体分析中,对框支梁是进行了很多简化假定, 对于处于复杂的应力状态之中的偏心转换梁，其计算结果与实际受力状态存在一定差别，故在YJK建模试算时，采用双梁、刚性杆、平面外增设次梁等手段模拟真实传力路径及转换梁受力状态，并采用Midas GEN Ver.800建立转换层的三维实体模型分析验证YJK的计算结果，并辅以手工简化核算方法校核转换结构受力的可靠性、安全性。
剪跨比越小，上部墙柱轴力就逐渐完全靠单向剪压传递，抗剪截面需求非常大，转换梁是承托上部结构全部荷载的重要构件,对于剪跨比λ≤1.5的梁多发生斜压破坏,并且破坏发生在剪跨区段，发生在剪跨段的破坏对梁式转换层结构来说是意味着整个上部结构的破坏,应该设法避免，解决小剪跨比受力状态的转换梁的方式主要有四种：增大梁截面、局部加腋、加密箍筋、增加型钢。本工程主要采用利用设备转换层高度增加反梁墩（加腋），局部节点参考搭接转换设计方法采用增加水平、竖向箍筋兼以利用上下层楼板拉压平衡以解决小剪跨比受剪问题。
偏心转换需要解决构件设计问题以及整体传力问题。
对于导致转换梁的扭转问题，由于扭转开裂后梁会出现较大的抗扭刚度退化，故仅靠梁的抗扭来满足受力平衡条件是不可靠的，对于因转换偏心而导致扭转较大的梁，设计时均沿其垂直方向设平衡梁，通过垂直方向梁端的受弯来平衡其偏心扭矩，弹性软件只会按照节点处各构件的扭转刚度与受弯刚度进行内力分配，实际设计时将偏于安全地将上部墙柱偏心引起的全部内力由垂直平衡梁的受弯承担，手工复核加大垂直梁端配筋。同时偏安全地也按YJK不考虑扭矩折减的配筋结果配足转换梁抗扭钢筋。
对于整体传力问题，偏心转换会导致整个转换层存在外倾的趋势，纯粹靠转换柱、平衡梁来抵抗的话，安全防线过于薄弱，故实际设计采用钢筋混凝土墙将转换层楼板及上一层楼板连接起来，设备转换层形成一个箱型结构，转换层的每侧总偏心弯矩通过楼板拉压平衡传递至强大的核心筒或者两侧拉压对消，并通过YJK楼板有限元分析及手工复核上下层楼板的板厚、配筋满足每侧总偏心弯矩产生拉压承载力需求。
三、转换层的三维实体对比分析
1.分析目的
本工程存在梁式转换结构，转换梁在YJK整体模型中采用壳单元模拟。但由于转换梁的截面尺寸较大，且存在被转换的上部墙柱沿转换梁宽度方向偏心，被转换的上部墙柱因离下部框支柱较近需要在靠近梁端的局部区域利用设备层空间上反加高梁截面来抵抗较大的剪力，部分X向梁与系列Y向梁端部连成一体，既作为X向梁受力又作为系列Y向梁端部的扩宽截面抵抗较大剪力，同时承受双向作用等较复杂的情形，YJK中采用壳单元加刚性杆的模型可能不能全面模拟转换梁的真实受力状态。为进一步了解转换层结构构件的受力状态，采用Midas GEN Ver.800建立转换层的三维实体模型，对该层进行应力分析。
通过三维实体模型与YJK壳元及杆系（部分非转换梁）模型的内力对比，主要想了解以下内容：
按照YJK模型的计算结果进行配筋设计，构件是否安全可靠，即按YJK配筋的构件承载力能否包络住三维实体模型的内力，这是按YJK模型结合规范的构造进行设计能否保证结构安全的底线问题。
三维实体模型构件内力与YJK模型差异变化的规律如何，可能原因是什么，通过对比，试图总结规律，剖析原因。
2. 转换层三维实体模型
选择转换层整层作为分析对象，采用Midas GEN Ver.800建立转换层三维实体模型，转换层以上取1层，并在楼层标高处设置刚性隔板，转换层以下也取1层，框支柱底和转换层以下剪力墙底均采用固定支座。实体单元材料为弹性，并分别按设计的混凝土等级指定。计算模型的荷载包括转换层以上荷载及转换层本层荷载，其中转换层以上的荷载通过YJK整体计算模型中转换层上层的柱顶内力（轴向内力，面内、面外的弯矩及剪力）得到，并施加于Midas Gen实体模型中转换层上层竖向构件顶面。转换层的本层荷载，一方面通过材料重度考虑结构自重，另一方面在实体表面施加面荷载以考虑本层的均布荷载。转换层三维实体模型，如图4所示。选取1.35D+0.98L组合为计算荷载，因为经分析，大多转换梁的控制组合均为1.35D+0.98L组合。
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图7 转换层变形图（放大264.4倍）
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图10小震及正常使用荷载-节点区转换梁内C50混凝土压应力
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图13 中震-节点区域钢筋有效应力
图14 现场实体照片
3.构件内力积分结果
在转换层选取48个梁截面，通过截面积分的方式得到Midas GEN三维实体模型相应截面的内力，并与YJK相同荷载组合下的内力及YJK配筋对应的承载力进行对比，三维实体模型、YJK模型与按YJK配筋计算的承载力间有如下特点：
1） 梁
对于各项内力，三维实体模型结果与YJK相比，数据离散性较大，没有各处数值基本接近或吻合的特点，估计是采用三维实体模型后，转换梁的内力传递方式发生了变化和不同单元的刚度差异而导致，如实体模型中的拱效应、实体单元反映的大截面梁刚度可能大于杆件模型等；大多数梁截面实体模型的轴力、剪力、弯矩均小于YJK模型，估计是采用三维实体模型后，大尺度截面的转换梁能反映出其内部拉杆拱效应，拱效应的存在使部分梁的剪力与弯矩变成混凝土的受压与底部钢筋（拉杆）的受拉，从而使剪力、弯矩效应减小。
a、轴力
大多数实体模型的轴力小于YJK模型，少数轴力大于YJK。表中的构造配筋承载力指：按转换梁最小的构造箍筋计算的抗剪承载力，因梁受弯时只单面受拉，不考虑受拉面的纵筋贡献，只考虑受压面纵筋及构造腰筋抵抗轴向拉力。可见，表中所有梁实体模型轴向拉力均小于梁构造配筋的抗拉承载力，且轴向拉力的量级较小，最大拉力不足梁构造配筋抗拉承载力的一半。
b、剪力
大多数实体模型的剪力小于YJK模型，少数剪力大于YJK。绝大多数梁实体模型剪力均小于梁构造配筋的抗剪承载力，个别梁剪力大于构造配筋抗剪承载力但小于按YJK结果进行配筋的抗剪承载力。
c、弯矩
大多数实体模型的弯矩小于YJK模型，少数弯矩大于YJK。经分析，有如下规律：直接支承上部墙柱的主受力转换梁实体模型弯矩基本小于YJK，个别存在偏大处适当调幅处理后梁跨的总抗弯承载力也基本满足不大于YJK；实体模型弯矩明显大于YJK的均为非直接支承上部墙柱的主受力梁跨，而是与主受力梁跨相邻的反拱梁跨，但该部分反拱梁跨的弯矩量级较小，远小于梁构造配筋时的抗弯承载力，估计该部分梁是由于用壳单元模拟，导致刚度比实体模型偏小。
经过逐一核对所有梁实体模型弯矩均小于按YJK配筋的抗弯承载力，按YJK配筋能满足梁抗弯承载力要求。
d、扭矩
大多数实体模型的扭矩大于按0.4系数折减扭矩的YJK模型，但小于扭矩不经折减的模型。事实上考虑楼板共同作用，实体模型梁的扭矩实际已存在折减，故扭矩的偏差估计首先是由于实体单元模型的抗扭刚度大于杆件或壳元模型的原因引起，其次楼板的作用对于大偏心转换梁来说，效果偏弱，采用0.4扭矩折减系数不尽合理。我们注意到，YJK模型采用刚性杆处理上部墙柱偏心的连接，基本能反映墙柱偏心对转换梁扭转的影响，只是数值上存在偏差。
2） 框支柱
除个别柱外，实体模型的框支柱轴力与YJK计算结果较为接近，但剪力、弯矩、扭矩结果差异离散型较大，未发现明显规律。将实体模型计算得到的12根转换柱的柱顶内力结果绘入柱的PM曲线可以看出，转换柱承载力能够包络实体模型的内力，而且有较大富余。
3） 小结
按YJK验算结果设计钢管混凝土框支柱能满足承载力要求。
大多数梁的实体模型的轴力、剪力及弯矩小于YJK模型，但扭矩大于YJK经0.4折减的模型，但梁按照YJK按扭矩不折减模型配筋同时满足规范构造要求的各项承载力均能包络住三维实体模型的内力，因此按YJK配筋并满足规范构造要求对梁进行设计是安全的。
四、手工核算
作为抗震关键构件，转换梁按大震抗剪弹性，抗拉抗弯不屈服进行控制，为了简化分析，偏于安全地，取等效弹性大震的内力进行分析。
下面以轴力较大的典型转换梁KZL15为例，将详细分析过程列举如下：
KZL15转换梁截面尺寸为2400X2500，加腋位置截面尺寸为2400X4500，转换层混凝土标号为C50，梁箍筋为14@100(14)，梁抗扭腰筋为2N32@200。框架柱重心与转换梁中线距离为975mm，平衡偏心弯距的平面外垂直梁L20截面尺寸为600X2000，梁面筋为2132，KZL15平面位置如下图12，转换梁腰筋及平衡梁面筋端部锚固要求如下图13。
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图13 梁腰筋、面筋端部锚固要求示意图
该抗剪截面条件按大震弹性控制，偏于安全地，V取梁上柱弹性大震的基本组合内力，查得梁上柱大震轴力基本组合值为 N =31478.8 kN，由于剪跨比很小，假定轴力均由加腋梁段传给转换柱，对应的剪力V =N=31478.8 kN，转换梁抗剪截面条件为：
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梁抗弯按小震、中震包络设计，经复核，该位置配筋由小震控制，查得梁上柱小震轴力基本组合值为 N = 21060kN ，假定轴力产生偏心弯矩由平面外平衡梁L20、框支梁KZL16各承担一半，平衡梁L20对应的梁端弯矩为M=10266.75 kN.m，平衡梁L20抗弯承载力为Mu=13430 kN.m>M。
可见，平衡梁抗弯承载力能满足小震弹性、中震抗弯抗拉不屈服的要求。
五、结论
1、转换层三维实体有限元分析结果表明，对于复杂受力的转换结构，经过反复试算，YJK采用合理建模时基本能模拟实际受力情况，可有效避免内力丢失或传力路径不合理的情况，YJK配筋可包络三维实体有限元分析内力。
2、对于重要的转换构件、节点，应辅以手工简化核算方法，验证或包络软件的配筋，并进行适当加强，确保结构的安全性、可靠性。
3、偏心转换梁承受较大的剪力、扭矩和弯矩，处于复杂的应力状态之中，特别是抗扭不足易导致扭曲裂缝，将会大大削弱梁的抗弯抗剪承载力，应进行多道防线设计，应采用增加截面、配足抗扭钢筋、增加平衡梁抵抗偏心弯矩、加强楼板厚度及配筋等措施，保证转换大梁安全性。
参 考 文 献
1、高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）
2、建筑抗震设计规范（GB 50011-2010）.
3、复杂高层建筑结构设计(由徐培福主编，傅学怡、王翠坤、肖从真参与编著) .
4、李红霞. 小剪跨比转换梁抗剪承载力的试验研究[D]. 贵州大学. 2009.
5、翔海国际金融贸易中心改造项目抗震超限设计可行性论证报告.姚永革、邓永伦、陈焕恩.广州瀚华建筑设计有限公司.2017
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