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刘孝国1，杨金强2 （1.中国建筑科学研究院有限公司 北京构力科技有限公司 北京100013；2.山东东瑞规划建筑设计院有限公司） [摘要] 多部结构规范对转换梁在地震下的内力放大要求有所区别，抗规、高规及异形柱规程均按照抗震等级确定内力放大系数，高钢规对托柱钢梁不区分抗震等级，一律按照放大1.5进行地震作用下的内力调整。PKPM软件对特一级、一级及二级抗震等级的混凝土转换梁自动按照高规要求进行地震下内力的放大；对三、四及转换等级的混凝土梁不会自动放大，需要人为定义放大系数；对钢梁只有定义为托柱钢梁，软件会自动执行内力放大。转换梁与普通钢梁相比，在设计中默认为非调幅梁，配筋计算按照单筋截面计算梁端配筋，并且构造也与普通梁有别。结合工程案例对转换梁的内力放大进行了校核，对与普通梁的配筋设计差异性进行了分析比较。 [关键词] 转换梁；托柱钢梁；内力调整；弯矩调幅；构造配筋；单筋截面； 0 前言 结构设计中设计师一般都比较重视转换梁的设计，但通常通过计算发现，定义转换梁与否，有些情况下转换梁的配筋没有预期的结果那样变化大，有些转换梁配筋变化很小，甚至有些情况下定义转换梁与否基本不影响配筋。设计师会产生一系列疑虑，对于转换梁的配筋变化情况及转换梁内力调整放大，软件是如何执行规范的相关要求，并且《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（2016版）（后续简称“抗规”）、《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010（后续简称“高规”）、《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ99-2015（后续简称“高钢规”）及《混凝土异形柱结构技术规程》JGJ149-2017（后续简称“异形柱规程”）等多本规范对转换梁的内力调整均不完全一致，软件是按照那本规范执行；定义转换梁与否配筋差异很小等相关问题。 本文结合各规范对转换梁内力调整要求，深入剖析各规范对转换梁要求的异同，阐释软件对于转换梁内力的放大及特殊的配筋设计，并通过案例进行手工校核转换梁的组合内力，引导设计师理解转换梁设计的细节内容。 1 各规范对转换梁内力调整的要求 1.1 抗规对转换梁的内力调整要求 抗规3.4.3及3.4.4对于竖向抗侧力构件不连续的结构归为竖向不规则，对于这种结构中的水平转换构件规范要求地震内力需要乘以1.25~2.0的增大系数，如图1所示。 注意的是，抗规对转换梁的内力调整系数是个范围，在设计中无法准确执行。要对转换梁进行内力调整需要参考其他规范的相关要求。
图1 抗规对转换梁的内力调整 查看抗规关于框支转换结构的抗震等级，如图2所示，可知，框支框架的抗震等级仅仅有抗震等级一级与二级，无其他抗震等级，因此，水平转换构件地震内力的放大只放大抗震等级为一级与二级的构件。
图2 抗规中转换梁抗震等级的确定 1.2 高规对转换梁的内力调整要求 高规对框支转换结构中转换梁的地震内力放大要求如下，如图3所示：
图3 高规对转换梁内力放大要求 通过高规10.2.4条文可知，对转换梁的内力放大，高规给出了具体的放大系数，在设计中可以执行，高规中仅仅给出了特一级、一级及二级，并没有三级、四级抗震等级的转换梁的放大系数。 在高规中，如图4，图5可知，不论是A级高度还是B级高度的建筑，部分框支剪力墙结构中的框支框架只有特一级、一级及二级，不存在三级与四级的情况。因此，高规中也不存在三级、四级转换梁的内力放大，相比抗规多了特一级水平转换构件的内力放大要求。
图4 高规对A级高度建筑转换梁抗震等级要求
图5 高规对B级高度建筑转换梁抗震等级要求 1.3 异形柱规程对转换梁的内力调整要求 异形柱规程3.2.5的第四条要求，对于不规则的异形柱结构，其抗震设计应符合对于竖向抗侧力构件不连续时，构件传递水平转换构件的地震内力应根据不同条件和情况乘以1.25~1.5的放大系数。 该内力调整系数与抗震规范要求类似，均是一个范围，但具体范围的数值大小与抗规规范要求的1.25~2.0稍有区别。 异形柱规程附录A中对底部抽柱带转换层的异形柱结构提出了相关的特殊要求，底部抽柱带转换层的异形柱结构，其转换结构构件应采用梁；对于抗震设计时，底部抽柱带转换层的异形柱结构，其转换梁和转换梁下的柱的抗震等级应按本规程第3.3.1条相关规定提高一级采用。 另外异形柱规程中3.3.1节中给出了框架及框架—剪力墙的抗震等级，如下图6所示。
图6 异形柱规程对转换梁的抗震等级要求 按照上述异形柱结构的抗震等级，在实际的设计中如果存在抽柱转换，则会存在三级抗震等级的转换梁。这种情况下需要按照规范1.25~1.5的放大系数对转换梁进行内力放大。但需要注意的是转换梁的放大系数需要由设计师人为指定一个具体值。 1.4 高钢规对转换梁的内力调整要求 高钢规7.1.6条对托柱梁有相关的内力放大要求，该条要求当在多遇地震组合下进行构件承载力计算时，托柱梁地震作用产生的内力应乘以增大系数，增大系数不得小于1.5。该转换梁内力放大不区分抗震等级，只要属于托柱梁就需要按照规范进行内力放大。 2 PKPM软件执行对转换梁的内力调整 通过上述对四本规范的梳理可知，高规中对转换梁的内力放大系数值有明确的要求，高钢规对于托柱的钢梁也有明确的放大系数要求，其他两本规范的水平转换构件的内力放大系数是一个范围，因此，程序在执行的过程中，对于特一级、一级及二级抗震等级的转换梁会自动按照高规的要求执行内力放大。 对于三级及四级的转换梁，即使定义了转换梁，程序在默认情况下是不做内力的放大。虽然抗规和高规中均不存在三四级抗震等级的水平转换构件，但是由于异形柱规程中存在底部抽柱带转换层的异形柱结构，该类结构中的转换构件可能存在转换构件抗震等级为三级的情况，此时应按照异形柱规程对其地震作用效应进行放大。或者有些框架结构中存在梁托柱的情况，设计师希望将该梁定义为转换梁并考虑一定的放大，此时需要对抗震等级三级、四级的梁做人为内力放大，这就需要设计师手工指定三、四级转换构件的内力放大系数。 PKPM程序为了执行上述情况下三、四级转换构件的内力放大，提供了以下如图7所示的选项供设计师自己填入相应的放大系数，当填写了转换构件（三、四级）的水平地震作用效应放大系数，程序会自动执行内力放大。
图7 三、四级转换构件内力放大系数指定 对于托柱钢梁，需要在软件中对钢梁定义为托柱钢梁，软件才能按照高钢规的要求自动进行内力放大的处理。如图8所示为托柱钢梁的定义菜单。
图8 托柱钢梁的定义 3 转换梁（特一级、一级、二级）内力调整的自动放大及手工校核 某7度半的框支转换结构，高度大于60m，该结构的转换层在第五层，非底部加强区的剪力墙的抗震等级为二级，框支框架的抗震等级为一级。如下图9为该工程的3D图，图10为第五层转换层的梁、柱及墙体布置情况。
图9 某框支转换结构三维模型图 图10 转换层第五层三维图 计算完毕，选取其中某根转换梁的计算结果，输出该梁的相关计算信息。图11为该梁的位置及几何信息，图12为该梁输出的相关的调整系数信息及属性信息，图13为该梁的单工况内力计算结果。图14为该梁输出的组合内力及配筋结果。
图11 选取的转换梁位置及几何信息
图12 转换梁相关调整系数输出
图13 转换梁单工况内力结果
图14 转换梁组合内力及配筋结果 针对该框支转换梁进行手工校核，从图14框支梁配筋结果可知，该梁I端对应组合号为49，该组合的具体构成情况如下图15所示：
图15 第49组合号组合情况 该转换梁I端的弯矩组合，手工校核情况如下： M=1.2*（856.09）+0.6*124.78-0.28*（-237.01）-1.3*（-949.88）=2403.383kN.m， 手工校核结果与软件计算结果完全一致。 从该组合过程看好像并没有对转换梁进行内力调整，但实际上构件信息中输出的地震作用单工况内力已经考虑了规范要求的内力调整。对该转换梁涉及到剪重比、薄弱层及框支梁的内力放大调整，因此，需要查看软件中的调整前后的地震作用内力才能看到调整过程。 图16为该转换梁在Y正偏心地震作用下调整前后的地震内力比较。可知，调整前该转换梁I端弯矩为-391.13 kN.m，调整后弯矩为：-949.99kN.m，该梁输出调整后的地震内力已经考虑了所有的调整。
图16 转换梁调整前后的内力对比 Y向正偏心地震作用下，该转换梁有三个调整系数，薄弱层调整系数X,Y向均为1.25、剪重比调整系数Y向为1.21，转换梁内力放大调整系数1.6，综合调整系数为：1.25*1.21*1.6=2.42，因此，按照这个调整系数计算调整后内力为：2.42*391.13=946.53kN.m。 由于该处剪重比调整系数是四舍五入以后的结果，实际计算的剪重比调整系数保留小数点后四位为：0.0237/（6080/311288.73）=1.2135。 因此，计算调整后的内力准确值应该为：1.25*1.2135*1.6*391.13=949.3kN.m，与软件计算输出结果完全一致。 从以上的校核可以看到，对于规范要求的特一级、一级、二级转换构件，程序会自动考虑地震作用的内力调整，不用人为干预放大系数。 4 转换梁（三级、四级）内力调整人为指定放大系数及手工校核 同样是上面的工程，将该转换梁抗震等级修改为三级，程序输出相关该梁的计算结果信息，图17的构件信息中显示该转换梁地震内力放大系数为1.0，即该转换梁程序不进行内力调整。 需要注意的是只要定义了转换梁，该梁的属性就变为不调幅梁，虽然不做转换梁的内力调整，但这与不定义转换梁相比，配筋结果也是不同的。
图17 抗震等级为三级的转换梁内力放大系数 如果在SATWE中“调整信息”下对该三级抗震等级的转换梁人工定义水平地震作用效应放大系数1.4（异形柱规程中的放大系数为1.25~1.5），如图18所示，再查看该梁的信息输出及配筋结果。
图18 定义三、四级转换构件内力放大系数1.4 如图19所示输出了对应该三级转换梁的属性、抗震等级及内力调整信息，图20输出了该转换梁的组合内力及配筋结果。
图19 人为定义放大系数之后三级转换梁的调整系数
图20 三级抗震等级转换梁组合内力及配筋结果 该三级抗震等级的转换梁I端弯矩组合仍然为49号组合，该转换梁I端Y向正偏心调整前弯矩为：391.13kN.m，该转换梁有剪重比调整1.2135，薄弱层调整1.25及转换构件内力放大系数1.4调整，综合调整系数为：1.25*1.2135*1.4=2.1236，调整后地震作用为：2.1236*391.13=830.6 kN.m，然后该梁I端的组合内力手工校核情况如下： M=1.2*（856.09）+0.6*124.78-0.28*（-237.01）-1.3*（-830.6）=2248.32kN.m， 手工校核结果与软件计算结果一致。 对于三四级转换构件的内力放大程序不会自动执行，如果人为定义了内力调整系数，程序会考虑对该梁进行地震作用下的内力放大。 5 托柱钢梁的内力调整及手工校核 对某钢框架结构中的某根钢梁定义托柱钢梁，然后查看计算结果，在SATWE计算结果配筋信息中会显示该梁的属性，在文本文件中也会显示该梁的调整系数，如图21所示。
图21 托柱钢梁输出的内力调整系数 按照输出的托柱钢梁单工况内力进行组合内力校核。该托柱钢梁单工况内力结果如图22所示，托柱钢梁的组合内力及强度稳定验算结果如图23所示。
图22 托柱钢梁单工况内力结果
图23 托柱钢梁组合内力及强度稳定验算结果 按照高钢规的要求，该托柱钢梁的内力放大于抗震等级无关，只要是地震作用参与的组合都需要放大，并且放大系数为1.5。以该托柱钢梁I端的组合弯矩校核，I端弯矩组合为87组合，其组合情况如图24所示。该托柱钢梁调整前后的内力可以通过图25看到，调整前该钢梁I端的弯矩为56.3kN.m，调整后该梁的弯矩为105.5kN.m，该梁调整系数有两个，一个薄弱层放大系数1.25，另一个托柱钢梁内力放大系数1.5，因此，调整系数连乘之后得：56.3*1.25*1.5=105.5。软件对托柱钢梁地震作用下的单工况内力放大了1.5。
图24 托柱钢梁87组合号组合情况
图25 托柱钢梁调整前后Y向地震内力对比 对该托柱钢梁按照单工况内力手工校核组合内力，结果如下：M=1.2*33.78+0.6*9.44-0.28*（-62.42）-1.3*（-105.5）=200.83kN.m， 手工校核结果与软件计算结果一致。 6 梁定义转换梁与否的配筋比较 对于特一、一级及二级抗震等级的转换梁，定义转换梁与否，由于有内力放大系数的差异，一般会影响配筋结果。对于三、四级抗震等级的转换梁，由于默认情况下程序不做内力的放大，一般设计师会认为定义转换梁与否应该不影响计算配筋，但实际上定义转换梁与否也可能导致配筋有别，因为定义转换梁之后该梁程序会默认为非调幅梁。另外，转换梁与普通梁的构造配筋不同。 在同等的条件下，对某根梁定义转换梁与否进行配筋验算，并对计算结果进行比对。该梁抗震等级二级，内力组合属于地震参与组合，按照普通梁及转换梁分别计算，结果分别如图26及图27所示，图26为按普通框架梁设计的结果，图27为按照转换梁设计的结果。（注意此处：转换梁组合内力已确定，抗震等级不再影响内力调整）
图26 梁按普通框架梁设计的结果 图27 梁按转换梁设计的结果 通过对比普通梁和框支梁的配筋设计过程及结果，可知，框支梁的配筋计算与普通梁的配筋计算很大的不同点是，框支梁支座受拉钢筋的计算仅仅考虑单筋截面。普通框架梁，抗震等级一、二、三级时，都需要按照考虑受压钢筋的双筋截面进行设计。这会导致即使是在同等的弯矩下，框支梁支座计算的受拉配筋面积较普通梁大。 另外一点，在设计中如果定义梁为转换梁，该梁就默认为非调幅梁，不做弯矩的调幅，这会导致即使单工况内力一致的情况下，即使是三、四级抗震等级的转换梁，默认内力不做放大，但是定义转换梁与否也会导致组合内力有别，进而导致配筋产生微小差异。 7 结论 规范对转换梁的要求不完全一致，软件在执行中也按照对应的规范做相应的调整，设计师在设计转换结构时，对框支转换梁的内力调整及配筋设计需要注意以下几点： 1.在满足抗规、高规的情况下，由于规范中仅仅有特一级、一级及二级三种情况，程序都会按照高规要求，自动对转换梁执行地震作用的调整。 2.对抗震等级三、四级的转换梁，默认情况下，程序不自动考虑地震作用的内力调整；如果按照异形柱规范或者人为定义了三、四级转换构件的内力放大系数，程序也会考虑对三、四级转换构件的放大。 3.对于梁托柱的情况，有些情况下设计师定义转换梁，虽然默认三、四级不做地震内力的调整，但由于转换梁是非调幅梁，这会导致与不定义转换梁相比，该梁的支座及跨中配筋会有微小变化。 4.对于钢结构中的托柱钢梁，要按照高钢规的要求执行转换梁的放大，需要将该钢梁定义为托柱钢梁，软件会自动对地震下单工况内力放大1.5，该放大系数与抗震等级无关。 5.定义转换梁与否，转换梁的构造配筋与普通梁构造钢筋也有区别，一般情况下转换梁的构造配筋大于普通梁。 6.转换梁与普通梁的配筋还有一个很大的区别，转换梁只按照单筋截面进行构件配筋设计，而普通的框架梁要按照规范的要求，一、二、三级按照双筋截面进行配筋设计。这导致同等弯矩情况下，按转换梁设计的支座受拉钢筋面积一般大于按普通框架梁设计的钢筋面积。 参 考 文 献 [1] JGJ99-2015高层民用建筑钢结构技术规程 [S].北京：中国建筑工业出版社，2015. [2] JGJ149-2017混凝土异形柱结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2017. [3] GB50011-2010建筑抗震设计规范（2016年版）[S].北京：中国建筑工业出版社，2010. [4] JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2010. |
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