高层建筑结构转换层设计研究

摘 要：本文结合多年工作经验，对高层建筑结构转换层设计谈一些看法。

关键词：高层建筑 结构转换层 设计

现代多功能高层建筑常常设置转换层，大震作用下，易形成薄弱层，转换层位置较高时，转换层下部落地剪力墙及框支结构易开裂和屈服，上部墙体易于破坏，从而不利于抗震。本文结合多年工作经验，对高层建筑结构转换层设计谈一些看法。

一、高层建筑结构转换层概念

1、转换层的定义和功能

因建筑物功能的需要，上部需要小开间的轴线布置，需要较多的墙体；下部则希望有尽可能大的空间，柱网要大，墙体要尽量少。因而，上部部分竖向杆件不能直接连续贯通落地。而通过水平转换结构与下部竖向杆件连接，这样构成的高层建筑称为带转换层的高层建筑结构。转换层主要实现以下功能：

（1）上层和下层结构类型转换。多用于剪力墙结构和框架-剪力墙结构，它将上部剪力墙转换为下部的框架，以创造一个较大的内部自由空间。

（2）上、下层的柱网、轴线改变。转换层上、下的结构形式没有改变，但是通过转换层使下层柱的柱距扩大，形成大柱网，并常用于外框筒的下层形成较大的入口。

（3）同时转换结构形式和结构轴线布置。即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的轴线错开，形成上下结构不对齐的布置。

2、结构转换层常见类型

转换层根据建筑功能的需要，可作为正常使用的楼层，但应有较大的层高作为保证；在层高受限制或设备专业需要时，也可以作为设备层，在结构型式上，转换层在设计常分为以下几种类型：

（1）梁式转换层，即将上部剪力墙在框支梁上，再由框支柱来支撑框支梁的结构受力体系。当需要纵横向同时转换时，则采用双向梁布置。其优点为传力3直接、明确，传力途径清楚，受力性能好，构造简单，施工较方便，设计计算较容易，是目前应用最广的转换层结构型式。一般运用于底部大空间的框支剪力墙结构体系。

（2）桁架式转换层。该结构形式是由梁式结构转换层变化而来的，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下楼面的结构层内，层间设有腹杆。由于桁架高度较高，所以下弦杆的截面尺寸相对较小。桁架分为空腹桁架和实腹桁架2种，它可以是钢桁架，也可以是钢筋混凝土桁架，在钢筋混凝土高层结构中常用钢筋混凝土桁架。与梁式转换层相比，它的整体性好，受力性更加明确，自重较小而抗震性能好，而且便于管道的安装与维护等，但在施工上比较复杂，在设计上表现为节点的设计难度较大。

（3）箱式转换层，当转换梁截面过大时，设一层楼板已不能满足平面内楼板刚度无限大的假定。为了使理论假定和与实际相符，可在转换梁梁顶和梁底同时设一层楼板，形成一个箱形梁，箱形梁的这种转换结构，一般宜遍布全层设置，且沿建筑周边环通构成“箱子”，即称箱式转换层。箱式转换层的重要优点在于，转换梁的约束强，刚度大，整体受力效果好，上下部传力较为均匀，还可将其利用作为设备层，其缺点是施工复杂，造价较高。此外，转换层还有厚板式转换层、桁架式转换层等。但大都因受力复杂且施工难度大、经济效益不高而实际应用相对少。

二、高层建筑转换层设计要点

1、高层建筑的转换层结构布置

转换结构可以根据其建筑功能和结构传力的需要，沿高层建筑高度方向一处或多处灵活布置（或是楼层局部布置转换层），且自身的这个空间既可以作为正常使用楼层，也可以作为技术设备层，但应该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（如框架-核心筒结构），整体刚度可能不足，在结构竖向的一定部位设置水平刚性楼层（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。对大底层上部为多塔的建筑，塔楼的转换层宜设置在裙楼的屋面层，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。对部分框支剪力墙高层建筑结构，其转换层的位置，7度区不宜超过第5层；8度区不宜超过第三层。

2、高层建筑的转换层结构要保证抗震性能

高层建筑要考虑的层面不是简单的舒适度这样的问题了，还要考虑抵御自然灾害的能力，我国近几年来地震频繁，受灾情况有目同睹，因此在高层建筑的实际中已把这个情况列为首要追踪的关键性问题，下面就对减免自然灾害带来的问题进行思考，找出解决的策略。一方面由于地震震感极强，在高层建筑的转换层设计上就要加强抵御震力的能力，对转换层的上下层次要做重新的设计，尽可能的把上下的竖向构架进行重新的分配，对楼板也要进行剪力的重新构造，减弱平面内的受力状况，加强地震剪力的安置，这是至关重要的，不可忽视。

对带转换层的剪力墙结构及带转换层筒体结构这两类转换结构，通过转换层上下层间位移角及内力变化情况的分析，可得出影响其抗震性能的主要因素，分别是：转换层设置高度、转换层上部与下部结构等效刚度比、转换层结构与其上层结构侧向刚度比。对带转换层筒体结构其主要影响因素表现为转换层上部外筒的刚度、转换层设置高度和内筒刚度对转换层位置较高的带转换层的剪力墙结构仅仅控制转换层上、下楼层的侧向刚度比是不够的，还应控制转换层上部与下部结构等效刚度比，转换层上部与下部结构的等效刚度比越大，转换层上下层间位移角及内力突变情况越明显，设计时应当加以控制，使其尽量接近于1，且不大于1.3。带转换层的筒体结构，如转换层上部的外筒为框架，一般情况下不会发生刚度突变，但建立传力途径的变化仍然存在。

3、高层建筑转换层结构的过度受力及轴压比控制

（1）过度受力。高层建筑转换层的结构设计，不是我们想象的那么简单，在这个过程中，楼层的梁面和柱面分别有两种表现形式，从柱面来看，主要的突出表现有强柱和弱柱，从梁面来看主要由强梁和弱梁。不要轻视这两个构件，它们直接影响着转换层的竖向负载能力以及构架的内力，在高层建筑施工期间，对施工的进度和时间也有一定影响，尤其是在转换层构架与若干层构架同时出现在施工阶段的时候，这个构架的内力变化尤为突出，若不及时采取措施，必会因为施工阶段转换构件的过渡受力而影响高层的进度，造成高层建筑施工延时延工。

（2）控制轴压比。高层建筑中转换层还要注意轴压的比率，尽量控制这个比率，我们知道，转换层的支梁和支柱在内交角的位置，有一个突出的应力表现情况，由于深受水平负载以及垂直负载的双重影响，柱子的横截面，柱子的剪力，以及柱子的弯矩在相对条件下较小，所以轴压力的承受力主要受框支柱所支撑，转换层以上的墙体垂直负载和水平负载差不多都能借助板平面内的刚度传递给落地剪力墙，因此要严格控制框支柱的轴压比。例如，在一高层建筑实处，设计的方案是这样的：抗震设计时框支柱的轴压比小于0.6，砼的强度等级高于C20，但低于C30，采用螺旋箍围绕框支柱全高密度较小，箍筋直径要不足10，问距不足100rnm，这个设计方案，在真正实行的过程中限制了柱箍筋配箍率，减弱了转换层柱的抗剪能力。因此要切合实际的对高层建筑进行科学的检测，确保万无一失。

三、结束语

总之，任何事物的都要根据具体的实际的问题出发，根据客观存在的条件，根据高层建筑中的实际问题，依据不同的特点和特征，适当将物理学中的力学因素参考进来，遵循事物发展的规律，尊重自然的情况下，设计出最佳方案。另外，在设计上不要循规蹈矩，打破以往的设计因素，确保方案设计的全面性、科学性，减少高层建筑施工中的风险和难度。

参考文献：

[1]曲岩岩.高层建筑梁式转换层结构设计分析[j].科技创新导报，2008（8）.

[2]陈加余，谢加虎，熊智刚.高层建筑转换层的特点及研究现状[j].山西建筑，2009（14）.