关于高层建筑转换层设计的探讨

摘要：本文阐述了转换层的概念及设计原则，介绍了高层建筑结构转换层的主要特点，提出了结构转换层的工程设计方法，供同行参考。

关键词：高层建筑；转换层；设计；探讨

中图分类号：TU7 文献标识码：A 文章编号：

1 转换层的概念及设计原则

近年来，高层建筑也迅猛发展，并向着体型复杂、功能多样和内部空间多变的综合性方向发展。转换层结构工程已成为现代高层建筑结构发展的趋向之一。

1.1 定义

一般情况下，位于高层建筑结构的下部受力较大，而上部结构受力相对较小，因此为了保证整个建筑的安全性，必须确保下部结构牢靠，因此通常在下部结构布置的刚度大、墙体多、柱网密，越往上部建造，所需的墙、柱数量都相应减少，从而扩大柱网。导致整体的建筑物出现上部的活动空间远远比下部的活动空间要大，不符合建筑功能对空间的需求。为了实现建筑功能需求，必须打破原有的常规设计，在创新的过程中，就会使用到转换层结构，其功能主要是在结构转换的楼层设计水平转换构件，使得整个建筑符合其使用功能。

1.2 设计原则

因在建筑物中设置转换层可使其竖向刚度发生突变，降低了结构的抗震能力，为了防止这种情况的出现，应遵循以下设计原则：在设置转换层时，应尽量选用直接落地的竖向构件，因为需结构转换的竖向构件能够引起刚度突变，影响结构的抗震能力；另外，应在高层建筑竖向位置较低的地方设置转换层结构，把握宜低不宜高的原则；对转换层结构进行优化，保证选用的换层结构型式具有明确的传力路径，有利于结构分析设计和保证施工量；转换刚度不可过大，在考虑建筑物安全和经济的前提下，坚持宜小不宜大的方法。

2 高层建筑结构转换层的主要特点

近年来高层建筑发展迅速，建筑朝体型复杂、功能多样的综合性方向发展，因而相应的结构形式也复杂多样。后来陆续开始在高层住宅底层设置生活福利设施，并且开始大量兴建集吃、住、办公、购物、停车等为一体的多功能综合性高层建筑，尤其是在城市主干道两侧，并已成为现代高层建筑的一大趋势。高层建筑结构转换层具有以下几方面的特点：

2.1 转换结构构件需要承受其上部结构所传下来的巨大竖向荷载或悬挂下部结构的多层荷载，使得转换结构构件的内力很大，竖向荷载成了控制转换结构构件设计的主要因素。

2.2 转换结构构件通常具有数倍于上部结构的跨度，转换结构构件的竖向挠度成为严格控制的目标。因此为保证转换结构有足够的强度和刚度，致使结构构件的截面尺寸不可避免地高而大。

2.3 结构中由于设置了转换层，沿建筑物高度方向刚度的均匀性会受到很大的破坏，力的传递途径有大的改变，为竖向不规则结构，这决定了转换层结构不能以通常结构来进行分析和设计。

3 结构转换层的工程设计方法

3.1 转换层的竖向布置

带有转换的高层结构可根据其建筑功能和结构传力的路径，可以沿高层建筑的高度方向一处或多处灵活布置；也可根据建筑的使用功能要求，在楼层某些局部布置相应的转换层，可根据自身的特点作为正常使用楼层，也可作技术设备层，在转换层的设计中应确保转换层具有足够的强度和刚度，保证竖向刚度不能过大。如果对大底盘多塔楼的商住建筑，塔楼的转换层宜设置在裙房与塔楼的交接楼面处，并加大楼面转换梁、板的尺寸和厚度，目的是和上下楼层的刚度保持接近，以避免中间出现刚度特别小的楼层，进而地震对高层建筑的危害。若对部分框支剪力墙的高层建筑结构设计是，应特别注意转换层的设置位置，根据《高层建筑抗震设计规范》规定7度区不宜超过第5层，8度区不宜超过第3层。如果转换层位置超过上述规定时，应作专门研究并采取有效措施。

3.2 转换层结构刚度的合理选择

在进行转换层结构设计时，存在着转换层结构刚度合理值的问题。当转换层刚度过大时，一方面引起地震反应和结构竖向刚度的突然增大，使转换层上下层处于更加不利的受力状态，另一方面材料用量增加，结构经济性不合理。当转换层刚度过小时，上部框支部分的竖向构件与其它竖向构件之间可能出现较大的沉降差，从而在上部结构中与该部分竖向构件相连的水平构件中产生明显的次应力，导致其配筋增加。这一点在正交主次转换梁结构中的转换次梁中表现最为突出，此时不仅转换次梁要选用合适的截面尺寸，还要保证转换主梁具有足够的刚度，以减小因转换主梁挠度引起转换次梁的支座沉降而导致上部结构构件产生的次应力。

3.3 转换层楼板

以转换层为界，框支剪力墙被分为上下两部分，且这两者的受力情况是有差异的。上部楼层中，外荷载产生的水平力具有一定的分配原则，是根据各片剪力墙的等效刚度比例来进行的；下部楼层中，框支柱的刚度不同于落地剪力墙间的刚度，水平剪力主要由后者承担，即在转换层处荷载分配不均匀。转换层楼板的任务较重，主要负责完成上下部分剪力重分配，且因转换层楼板自身存在的受力大、变形大特点，必须要有足够的刚度来支撑其任务的完成。

3.4 转换梁设计

在进行转换梁设计时，要特别注意对转换大梁与上部结构共同工作程度的分析，它不仅会影响转换梁的内力大小，还可能改变其受力状态。对于满跨框支剪力墙，考虑完全共同工作的分析与不考虑共同工作的分析结果存在很大的差异，前者的跨中弯矩和支座剪力分别较后者小10%和50%，而支座弯矩则有所增大，轴向拉应力明显增大。规范规定此时转换梁按照轴心受拉构件计算，但研究表明将转换梁看作深梁的受拉翼缘时可以得到更理想的效果。

3.5 抗震性能

由于厚板集中了很大刚度和质量，其在地震作用下反应强烈；板本身受力很大，而且竖向刚度突变，相邻上、下层受很大作用力，容易发生震害；从以往的试验和已设计的工程[5]表明，厚板的上、下相邻层结构出现明显的裂缝和混凝土剥落，板不仅会发生冲切破坏，还可能发生剪切破坏，故板必须三向配筋；o桁架转换层的节间采用轻质建筑材料填充，有利于减轻结构自重，同时转换桁架的抗侧力刚度比转换梁小，也就是说具有桁架转换层的高层建筑其质量和刚度的突变比带转换梁的高层建筑缓和，作为抗震的重要构件，框支梁的受剪很大，应遵循“强剪弱弯”的方针，在纵筋数量较多的背景下，加强箍筋。因此，地震反应要比梁式转换的高层建筑小得多。

4 结束语

在高层建筑转换层设计中，须根据工程本身特点和验算中受力状态的不明确等因素，选择科学合理的设计方案，确保方案设计的全面性、科学性，减少施工的风险和难度。结构设计随着城市建设步伐的加快，高层建筑的功能需求也发生了很大的变化，不再是单一、枯燥和片面的。常见的建筑物结构形式为民用住宅与公共场所通过墙体、柱网进行分开，各自满足自身的使用要求。在这其中运用到了转换层，只有通过转换层才能实现这种结构变化形式的过渡，完成各自的需求功能。本文通过介绍转换层的概念、设计原则及结构形式、受力特点，分析转换层结构构件设计，望能起到抛砖引玉的效果。

参考文献：

[1] 耿丽君.高层建筑转换层结构的设计与施工[J].建材技术与应用.2009，（07）.

[2] 超，王建云.高层结构的转换层及应用探讨[J].国外建材科技.2011，（04）.

[3] 杨京俊，陈海新.高层建筑中转换层结构的影响因素与分析方法[J].山西建筑. 2010，（08）.

[4] 蒋樟泉.高层建筑梁式转换层施工技术探析[J].工程建设与设计.2011，（08）.

[5] 姚遥.高层建筑框支转换层结构的设计与探讨[J].四川建材.2009，（03）.

[6] 李中军，徐茂江，李龙.预应力混凝土转换层结构设计[J].建筑结构学报.2011，（03）.