高层建筑转换层结构设计的探讨

【摘要】 近十年来，国内外高层建筑都在迅速发展，建筑的上部分用于住宅、旅店，而中间部分用于办公，下部分则用于商场、餐厅等，功能的多样化则要求高层建筑结构改变竖向结构形式或改变柱网、轴线，甚至两者都地改变。结构的改变，必然要求建筑设置转换层结构，即过渡层。本文笔者介绍了带转换层的高层建筑结构设计的国内外工程应用、功能与分类、以及转换层在应用时应注意的几个方面。

【关键词】 高层建筑 结构设计 转换层 问题

前言

随着高层建筑的快速发展，建筑物的功能相对以前的更加多样化。高层建筑的发展，使得人们可以在建筑的上部分设置住宅、旅店，而在中间部分设置办公楼，下部分则用于商店、餐馆、银行、会议中心等需要较大跨度的公共建筑空间。高层建筑的功能多样化，则要求其建筑结构需满足其形式的改变。转换层在高层建筑结构设计中的应用则油然而生，其主要是为了解决上、下结构形式变化中产生的各种力学问题，使得高层建筑上部分的结构力传递到下部分结构。

1. 高层建筑转换层结构设计在国内外工程的应用

国外一些经济发达国家的高层建筑己有较长的发展历史，高层建筑的数量也较多，高层建筑中部分采用钢筋混凝土结构对于一些建筑物功能复杂、建筑结构形式变化较多的建筑在一些结构层也设置转换结构。

近十年来，国内的高层建筑发展迅猛，转换结构在高层建筑中，特别是框支剪力墙结构中的应用越来越广。转换结构中多采用梁式转换结构，厚板式转换结构常用一些功能复杂，上、下结构特别复杂的高层建筑中，箱形转换结构在铁路工程中应用较多，一些高层建筑也选用析架式转换结构[1]。

2. 高层建筑转换层结构的功能及分类

2.1转换层的功能特点

从结构角度看，高层建筑的转换层结构的功能主要如下三点：

2.1.1实现上、下层结构形式的转换。这种转换层主要用于剪力墙结构和框架—剪力墙结构，将上部的剪力墙转换为下部的框架。

2.1.2实现了上、下层结构轴网的转换。转换层上下结构形式没有改变，但通过转换层，可实现下层柱的柱距扩大，形成大柱网，这种转换层则用于外框筒的下层以形成较大的入口。

2.1.3实现上下层结构形式和结构轴网同时转换。上部楼层剪力墙结构通过转换层改变为下部框架结构的同时，下部柱网轴线与上部剪力墙的轴线错开，形成上下结构不对齐的布置。

2.2转换层的分类

从结构形式角度看，转换层主要有以下几种：

2.2.1梁式转换层。一般运用于底部大空间的框支剪力墙结构体系，将上部剪力墙落在框支梁上，再由框支柱支撑框支梁的结构体系，当需要纵横向同时转换时，则采用双向梁布置，梁式转换层的设计和施工均较为简单，传力较为明确，是目前应用最为广泛的转换型式[2]。

2.2.2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.为了使理论假设与实际相符，可在转换梁梁顶与梁底同时设一层楼板，形成一个箱形梁，箱形梁转换结构，一般宜遍布且宜沿建筑周边环通构成“箱子”，即箱式转换层。

2.2.3厚板式转换层。当上下柱网错位较多，难以用梁直接承托时，则需做成厚板，即板式转换层。厚板的厚度可根据柱网尺寸、上部结构荷载综合而定。板式转换层的优势在于，下部柱网受上部结构布局影响较小，可灵活布置。

2.2.4桁架式转换层。当高层建筑下部为大空间商场，上部为小空间客房或写字楼，且需设置管道设备层时，也可采用桁架式转换层。上部柱墙可通过桁架传至下部柱墙，而管道则可利用桁架间的空间穿行。采用析架转换结构时，一般宜跨满层布置，且上弦节点与上部密柱或墙肢形心宜对中[3]。

3. 高层建筑转换层结构设计时应注意的问题

3.1宜低位转换，尽量避免高位转换

设置结构转换层的高层建筑，其结构竖向刚度存在一定程度的突变，且转换层上下附近的刚度、变位和内力都会发生突变，易形成薄弱层，对抗震不利。所以，设置转换层应坚持转换层位置宜低不宜高的观点。尽量降低转换层的层位，尤其抗震结构匈十，宜避免高位转换，3层以下为宜，一般不超过6层。

3.2上下轴网力求部分对齐不错位

如果结构上部、下部的轴网全部错位，则转换层结构可能只得采用厚板式，厚板式转换层结构是所有转换层结构中缺点最多的一种形式。不仅受力不好，设计难度高，施工困难，而且极不经济。为避免采用厚板式转换层结构，尽可能采用梁板式或其他形式的转换层结构，其必要条件就是上下轴网部份对齐，轴网对齐的比例越高，转换层结构的设计就越简单容易，结构受力更明确，经济效果更好，这方面有赖于结构与建筑方案的密切配合和协调。

3.3框支柱、剪力墙的合理布置

设置结构转换层的高层建筑，不论采用何种结构体系，都必须保证部份剪力墙直接落地；转换层下面的框支柱的柱距疏密均匀，框支柱与剪力墙（通常是核心筒）的距离不宜太大（控制在12m以下）。转换层以上的剪力墙应采用大开间布置。强化下部，保证下部大空间结构有足够的刚度、强度、延性和抗震能力。转换层的平面须比轴规则，保证转换大梁的刚度和出平面外的稳定性。

3.4转换层上下层剪切刚度及转换层上下部结构等效刚度的控制

按有关规范规定，转换层上下层的剪切刚度比γ宜接近1，抗震设计时γ不宜大于2，为了将γ控制在1～2之间，可以采取多种措施；加大落地剪力墙厚度，尤是在下部框架结构适当部位另增设剪力墙，以增大转换层下层的剪力墙截面面积，转换层之上的剪力墙数量、厚度需严加控制；转换层下层须从减小转换层结构的截面高度着手尽量压缩其层高；转换层及转换层以下的硷强度取较高等级。

为了避免转换层附近的刚度突变，转换层下部的框架—剪力墙结构的等效刚度宜与同高度的上部剪力墙等效刚度相等。由于高层建筑是复杂的三维结构，其整体刚度，无法精确求得，只能通过结构位移大小来间接反映其刚度大小。故通常用由程序计算所得的楼层位移值间接表示楼层的等效刚度。

3.5结构整体计算外加局部应力分析

转换层的结构型式与普通杆件或薄壁杆件差别很大，形状复杂，内部应力集中，受力复杂。因此，设计中在整体计算控制的前提下，对转换层转换构件的分析需采取其它有限元分析程序作补充计算，最好直接选用以墙元或有限元分析为原理的计算程序进行设计，详细分析其各处的应力，按有限元计算结构进行配筋。

3.6转换层结构的构造与配筋要求

3.6.1短肢剪力墙的轴压比控制在0.6以内，框支柱轴压比也需满足规范要求。

3.6.2中心筒墙厚在转换层以下应加厚，一般比住宅底层厚增加100～150，硅强度等级宜提高5～10MPa。必要时在转换处增设部份剪力墙或在短形柱侧增加墙肢来补偿底层刚度。

3.6.3转换层楼板应加强，板厚≥180，双层双向配筋，配筋率≥0.25%，转换层上、下层的楼板亦应适当加强。

3.6.4转换梁须按规范对框支梁的构造要求进行设计和施工。

结束语

总之，带有转换层的高层建筑结构设计时，转换层的设计是结构设计的难点和重点，主要是因为其结构不同于其他形式结构体系转换。设计时应不断研究和比较，尽可能地作出最优化的技术设计方案，以实现高层建筑的安全、适用、稳定的建设目标。

参考文献：

[1] 莫雪辉. 高层建筑梁、板式转换层结构设计方法研究[J].科技创新导报，2008，（31）：44.

[2] 娄宇，魏琏，丁大钧.高层建筑中转换层结构的应用和发展[J].建筑结构，1997，（01）：21-41.

[3] 朱波，侯建国，黄璜.高层建筑梁式转换层结构设计探讨[J].三峡大学学报，2005，27（04）：341-344.