高层建筑结构转换层的结构设计探析

摘要：近年来，随着高层建筑迅速发展，建筑朝体型复杂、功能多样的综合性方向发展，因而相应结构形式也复杂多样。为了实现结构布置，就必须在结构转换的楼层设置转换层，以满足建筑在底部布置有较大空间的要求。本文就高层建筑转换层的结构设计进行了相关探讨，以供大家参考借鉴。

关键词：高层建筑；结构转换层；结构设计

中图分类号：TU97文献标识码： A 文章编号：

引言：随着经济的发展，现代高层建筑向多功能、综合用途发展，尤其是临街高层建筑，其功能布置一般上部为住宅、旅馆，下部楼层作商店、餐厅等。不同的用途需要不同的空间组合形式，因此近几年来出现了上部楼层为小开间剪力墙，而下部楼层为大柱网框一剪结构形式，上述功能要求与结构的合理布置要求正好相反，出现了上部刚度大而下部刚度小的竖向结构体系。为了实现这种结构布置就必须在结构转换的楼层设置转换层以保证结构受力的正确传递。转换层的合理设计将直接影响结构的受力及构件尺寸的确定。

1 转换层的设计原则

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；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 高层建筑转换层结构形式

2.1板式转换

板式转换层主要是应用在转换层上下柱网错开较多、布置没有次序、无法用梁进行承托的情况下，需将转换层做成2.0~2.8m厚度的转换板，这是从抗剪和抗冲切的角度考虑的。这种转换层的下层柱可灵活摆动，然而因自重较大，所费材料较多，施工难度大。

2.2 巨型框架转换

此类转换层具有比较好的前景，也是目前我国建筑业的发展方向。巨型框架转换具有较好的抗震性能，主要是由竖向筒体或巨型柱与一道或多道大梁组成，从结构上看，也是由多个梁式转换层组成。在施工前，通过模拟施工过程的设计方法，掌握在施工中遇见的问题，有效解决临时支撑情况及维持足够的抗侧刚度。

2.3粱式转换

在高层建筑中实现垂直转换最常用的结构形式是粱式转换，其传力途径直接、明确，是由上部墙经转换梁传力给下部柱，完成整个建筑物的使用功能。这种转换方式不仅有利于工程的计算、分析及设计，在成本造价上也较低，因此广为人们所应用，根据资料显示，其数量是转换层总量的77％。选择转换梁的截面高度通常为0.8~6m，在带转换层结构的高层建筑中主要以梁式转换层为主。

2.4箱式转换

这种转换方式是通过单向托粱和双向托粱与上、下层较厚的楼板浇筑为一个整体而实现的，这种转换层刚度较大。

2.5桁架转换

桁架主要包括空腹桁架与实腹桁架两类。与梁式转换层相比，这种转换层的受力更加清楚、明确，使用、活动空间更大，自重小，抗震性能也更高。然而其节点设计复杂，由于受到各种因素的限制，无法广泛运用于各类高层建筑中。在使用桁架转换层设计时应时时注意以下几个方面。

（1）设计桁架转换层时，高度要求在3m以上，若层高受到限制，无法达到要求，使得斜压腹杆形成超短柱，那么在地震发生时便有可能出现脆性破坏。

（2）施工时，为了将桁架的受力优势充分发挥出来，应确保上弦节点与上部集中荷载的中心对齐。

（3）施工时，注意将预应力施加在上下弦和斜拉腹杆中，可明显减少构件的截面，减少了材料用量，对降低整个工程的造价具有较大的作用。

2.6斜柱转换

这种转换层能够发挥混凝土可压缩性能的优势，为整个建筑扩大利用空间，其为比较特殊的一种结构形式。使用此类转换层，会增大水平荷载，因此为了克服这个缺点，以建筑物的平面布置为前提，在转换层施工中添加圈梁或拉梁，以最短的路径，达到相互平衡。施工时，应考虑斜柱转换层的荷载分担，只有将转换斜柱尽量连接在更多的楼层，而减少分布在上下楼层的荷载，才能保证此类转换层的安全及设计的方便。

3 高层建筑转换层结构设计

3.1 转换层楼板设计

转换层将框支剪力墙分成上下两部分，对于这两者来说，其受力情况是有一定差距的，在上部的楼层中，因为外荷载而产生的水平力，有自己的分配原则，它是根据剪力墙的刚度来进行的。在下部楼层中，框支柱的刚度与落地的剪力墙的刚度也是不同的，后者承担着水平剪力，也就是说，在转换层处荷载的分配不是很均匀。转换层其楼板具有比较重的任务，比如说上下部分的一些剪力重分配就是由它负责，转换楼板其自身的变形大、受力大，应该要保持足够的刚度来完成支撑。

3.2 转换层竖向布置

转换结构可以根据结构的传力以及建筑的功能需要，沿着高层的建筑方向灵活布置，也可以在符合建筑功能要求的基础上，在楼层的局部来设置转换层，而且自身的空间可以作为一种技术设备层，也可以作为一种正常的使用层，但是前提是要保证转换层的刚度，这样来防止刚度的过分悬殊。此外，在一些商业建筑中，如果是一种大底盘的多塔楼，对于塔楼的转换层来说，就应该将其设置在裙房中的屋面层，而且要加大屋面梁的尺寸以及厚度等，以防止其中间会出现一种刚度太小的楼层，进一步将震害减小。对于一些框支剪力墙的高层建筑中，在转换层位置的设置方面，7度区应该要低于第五层，8度区要低于第三层，如果转换层的位置与上述的规定不相符合，那么就应该要采取相应的措施来予以应对。

3.3转换层结构布置

据相关研究显示，在底部的转换层中，如果其位置越高，它的上下高度的突变就会越大，转换层上下内力的传递途径，其突变也会加剧，落地的剪力墙以及墙体就容易出现裂缝现象，框架的支柱内力加大，使得转换层的上部其附近的一些墙体就会被破坏。所以说，转换层的位置如果是过于高，就会对抗震产生不利的影响。

底部带的转换层结构中，其上部的一些竖向构件不能够直接连续的贯通落地，所以说，要设置一种较为安全的转换构件。按照相关的研究结果显示，转换构件能够运用箱形结构、斜撑、厚板、转换大梁等形式，在地震区对于一些转换厚板的使用经验是比较少的，可以在一些非地震区采用，在一些大空间的地下室中，因为其周围有着约束的作用，而地震的反应也低于上部的框支结构，所以，在7度到8度的地震设计的一些地下室就能够采用这种厚板转换层。

3.4转换层抗震设计

具有转换层的一些高层设计，因为其设置了转换层，沿着建筑物高度方向的刚度均匀性可能会受到一些影响甚至是破坏，转换层结构的竖向承载力因为其不连续墙柱的突变，这样就导致了传力路线的曲折、应力集中、以及变形集中，所以，在抗震方面，转换结构的性能比较差。

为了进一步保证设计的准确性与安全性，在一些框支剪力墙及其转换层的位置如果是设置在第三层以上，那么框支柱以及剪力墙其底部的抗震等级要提高一级，如果已经是特一级就不再需要将其提高，而对于底部的框架来说，如果其为密柱框架，其抗震等级就不用再提高。转换层及其构件在水平地震作用下的内力要要调整，如果是八度的抗震设计，就需要把对竖向地震的影响考虑进去。

4 结束语

总之，随着建筑行业的快速发展。转换层在现代高层建筑结构设计中的应用十分普遍。因此，必须做好这方面的研究和实践，推动带结构转换层的高层建筑结构设计的发展。

参考文献：

[1] 谢晓锋.高层建筑转换层结构型式的应用现状及问题[J].广东土木与建筑，2004.

[2] 张根俞.某综合楼型钢混凝土梁式转换结构设计与分析[J]. 建筑技术, 2009.