高层建筑转换层结构设计问题探究

摘要：文章主要阐述了建筑转换层的特点及设计原则，从而进一步针对建筑转换层结构的布置、抗震设计、转换层上下结构侧向刚度比等方面应注意的问题进行了探讨与研究，从中不断地改善高层建筑结构设计水平及保证工程的质量与使用安全。

关键词：高层建筑；转换层；结构布置；设计原则；问题

Abstract: the paper mainly expounds the characteristics of the building conversion layers and the design principle, thus further on the base of the conversion layer structure layout, seismic design, conversion layers structure and the lateral stiffness ratio of the problems should pay attention has carried on the discussion and the research, to constantly improve designing high-rise level and ensure the quality of the construction and use safety.

Keywords: high building; Conversion layers; The structure arrangement; Design principle; question

中图分类号：[TU208.3]文献标识码：A 文章编号：

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。目前，高层建筑一般需要大空间、大跨度，而住宅用房的空间和跨度相对较小，这样的建筑结构上下不能贯通，水路、电路因其用途不同，也需重新布置，为了满足建筑要求就必须在上下不同结构体系转换的楼层设置转换层。于是，带转换层的建筑结构孕育而生，并在近年来得到较为广泛的应用。

1 高层建筑转换层的结构特点及设计原则

1.1结构特点

高层建筑转换层按照结构来分类主要有以下几个形式：梁—柱体系、桁架体系、墙梁体系、厚板转换体系等，其中以梁—柱体系最为常用。按照转换层结构功能的不同，一般可分为以下三类：建筑上、下部分之间结构类型的转换，此类建筑上部和下部采用的结构形式不同。建筑上、下部分之间的柱网尺寸不同，这种建筑虽然上下部分的结构类型相同，但通常需要通过转换层，扩大其下部结构的柱距，以形成大柱网。同时具备转换结构和扩大轴线尺寸的混合形式。

1.2 设计原则

转换层的设置造成建筑物竖向刚度的突变，对结构抗震不利，故采用转换层结构设计时应遵循以下原则：尽可能减少需结构转换的竖向构件，直接落地的竖向构件越多，转换结构越少，转换层造成的刚度突变就越小，对结构抗震更有利，转换层结构在高层建筑竖向的位置宜低不宜高。优化转换层结构，选择具有明确传力路径的换层结构型式，以便于结构分析设计和保证施工量，在满足建筑物安全和经济要求的前提下，转换刚度宜小不宜大。

2 高层建筑转换层结构设计中应注意的问题

2.1 转换层的结构布置

转换层的结构布置时，应注意以下几个方面：

（1）转换层的建筑结构，转换层上部的部分竖向构件不能直接连续贯通落地，因此，必须设置安全可靠的转换构件。按现有的工程经验和研究结果，转换构件可采用转换大梁、析架、空腹析架、斜撑、箱形结构以及厚板等形式。

（2）换厚板在地震区使用经验较少，可在非地震区和6度抗震设计时采用，对于大空

间地下室，因周围有约束作用，地震反应小于地面以上的框支结构，故7度，8度抗震设计时的地下室可采用厚板转换层。

（3）高规规定了几条重要原则：带转换层的筒体结构的内筒应全部上、下贯通落地并按刚度要求增加墙厚；框支剪力墙结构要有足够的剪力墙上、下贯通落地并按刚度比要求增加墙厚；长矩形平面的框支剪力墙结构，抗震设计时，其落地剪力墙的间距按原规程适当加严，比原规程增加了限制落地柱周围的楼板不应错层的规定这几点的原则是防止转换层下部结构破坏的基本要求，特别是对于抗震设计的结构，要求更加严格。

遵守这些原则就可控制刚度突变，减少内力传递的突变程度缩短转换层上、下结构内力传递途径，保证转换层楼盖有足够的刚度以传递不同抗侧力结构之间的剪力，防止框支柱因楼盖错层发生破坏。

（4）框支剪力墙转换梁上一层墙体内不宜设边门洞、中柱上方不宜设门洞。试验研究和计算分析说明，这些门洞使框支梁的剪力大幅度增加，边门洞小墙肢应力集中，很容易破坏。此外，落地剪力墙和筒体的洞口宜在墙体的中部，以便使落地剪力墙各墙肢受力比较均匀。

2.2 转换层高层建筑结构的抗震设计

带转换层的高层建筑结构中，由于设置了转换层，沿建筑物高度方向刚度的均匀性受到很大的破坏，转换层结构竖向承载力构件不连续和墙、柱截面的突变，导致传力路线曲折、变形集中和应力集中，因此转换结构的抗震性能较差。转换层高层建筑结构的抗震设计应注意以下几方面的措施：

（1）抗震设计时，高位转换对结构受力十分不利。计算分析说明，在水平地震作用下，倾覆力矩分布曲线在转换层处呈现转折，转换层下部是以剪力墙为主的框架-剪力墙结构，落地剪力墙所分配的倾覆力矩由转换层往下递增较快，而支撑框架的倾覆力矩递增很少。

（2）在转换层处，框支剪力墙的大量剪力通过楼板传递给落地剪力墙，这也是倾覆力矩曲线呈现转折的原因。当转换层位置较高时，剪力分配和传力途径亦发生急剧的突变，落地剪力墙更容易产生裂缝，框支剪力墙在转换层上部的墙体所受内力很大，易于破坏，转换层下部的支承框架更易于屈服，从而容易形成几个薄弱层。

因此，为保证设计的安全性，规定部分框支剪力墙结构转换层的位置设置在3层以上时，其框支柱、剪力墙底部加强部位的抗震等级宜按高规规定提高一级采用，已经为特一级时不再提高，提高其抗震构造措施，而对于底部带转换层的框架-核心筒结构和为密柱框架的筒中筒结构的抗震等级不必提高底部带转换层的高层建筑在我国已大量建造，但至今未经受到大地震的考验。其转换层上部楼层的部分竖向构件不能连续贯通至下部楼层，因此，转换层是薄弱楼层，其地震剪力需乘以1.15的增大系数。设计中不要误认为只要楼层侧向刚度满足要求，该楼层就不是薄弱层。

（3）对转换层的转换构件水平地震作用的计算内力需调整增大；8度抗震设计时，还应考虑竖向地震作用的影响。转换构件的竖向地震作用，可采用反应谱方法或动力时程分析方法计算：作为近似考虑，也可将转换构件在重力荷载标准作用下的内力乘以增大系数1.1。高规中对框支柱的内力增大幅度比较高；转换层位置在3层及3层以上的结构对抗震更为不利，其内力增大幅度也适当提高。

高层建筑转换层结构是一种受力复杂的不利抗震的高层建筑结构，抗震设防烈度9度(0.4g)时不应采用。带转换层高层建筑结构的抗震设计可根据设防烈度、结构类型、构件种类和房屋高度，采用相应抗震等级进行相应的计算和采取相应的构造措施。

2.3 转换层上下结构侧向刚度比的合理取值

转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比计算时宜综合考虑各构件的剪切、弯曲和轴向变形对结构侧移的影响。

（1）当转换层设置在3层及3层以上时，其楼层侧向刚度尚不应小于相邻上部楼层侧向刚度的60% 这一规定是为了防止出现转换层的下部楼层刚度较大，而转换层本层的侧向刚度较小，此时等效侧向刚度比虽能满足限值要求，但转换层本层的侧向刚度过于柔软。层侧向刚度比的限值取60%，与美国规范(IBC-2000)的规定相同。高规只规定了楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的70%，未规定下限值。对于位于3层及3层以上的带转换层的高层建筑结构，规定60%作为下限值是十分必要的。

（2）当转换层设置在3层及3层以上时，应按高规规定分别计算等效侧向刚度比和转换层本层与转换层相邻上部楼层侧向刚度比，设计中应同时满足这两种刚度比的限制条件高层建筑转换层结构设计中转换层上 下层主体结构的剪切刚度比（Y）的合理取值：

1）扩大柱距的框筒结构或内部抽柱的框架结构。对这种情况的结构，Y应取1，即保持上、下层剪切刚度不变。

在一般情况下，由于建筑功能上要求下部柱子截面小，层高要比上层高许多，因此很难满足上述要求。此时建议转换层以下采用钢骨混凝土柱或钢管混凝土柱，这样来调整柱的截面面积、刚度和延性，从而达到满足建筑功能的要求。但这时应特别注意转换层上、下的连接，当转换层上部为钢筋混凝土时，应将下部钢骨混凝土柱锚入转换层内。

2）底部大空间剪力墙结构。由于底部大空间剪力墙结构的底层高大以及部分剪力墙不落地改为框支后，底部刚度显著减小，为防止底部层刚度突变，应控制转换层上、下剪切刚度比(Y)：当底部大空间为1层时，转换层上、下结构等效剪切刚度比Y宜接近1，非抗震设计时Y不应大于3，抗震设计时Y不应大于20。

3 结束语

综上所述，在高层建筑转换层设计中，须根据工程本身的特点和验算中受力状态的不明确等因素，首先从宏观的方向考虑和选择科学合理的设计方案，在满足建筑功能的前提下，确保结构方案的全面性、科学性。

参考文献

[1]覃文胜.高层建筑梁式转换层结构设计探讨[J].中国高新技术企业，2010.

[2]唐兴荣.高层建筑转换层结构设计与施工[M].北京：中国建筑工业出版，2007.

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。