浅谈高层建筑转换层结构设计

摘要：从城市发展规律上看，高楼兴起越来越多是一个城市发展过程中的必经阶段。近年来高层建筑发展迅速，应城市发展的需求，建筑体正朝着体型复杂、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。本文就带转换层的高层建筑对各种转换型式进行评述，提出转换层结构设计中应注意的几个问题，并相应地给出概念设计的措施。

关键词：转换层；结构设计；特点；注意事项

Abstract: The laws of urban development from the point of view, the rise of high-rise more and more a necessary stage in a process of urban development. In recent years the rapid development of high-rise buildings, the demand for urban development, building the body is moving in the body complex, feature-rich comprehensive direction, and thus the corresponding form of the structure of the complex and diverse. In this paper, high-rise building with a conversion layer on a variety of conversion type is reviewed proposed conversion layer structure design should pay attention to several issues and, accordingly, given the measures of the concept design.

Keywords: conversion layer; structural design; characteristics; Note

中图分类号：TU97文献标识码：A 文章编号：

一、概括转换层结构的几种型式及其设计特点

目前高层建筑的发展趋势，既集吃、住、办公、娱乐、购物、停车等多功能为一体的综合型建筑。但由于空间功能的复杂化，使得建筑结构也随之变化。为了适应上部小空间下部大空间的功能需要，需在两种结构的交接部位设置过渡结构，也就是所谓的转换层。因高层建筑结构的多样性，也呈现多种形式：

1.1 转换层形式一：板式转换

整体来讲，板式转换的力学性能和经济指标均较差。当上下轴网变化但仍正交时，可采用正交主次转换梁的结构型式来实现转换。板式转换最大的优点是可以在转换层以上随意布置结构型式和轴网，特别适用于建筑物上下部轴网错位复杂甚至互不正交的情况。由于抗剪和抗冲切的需要，转换板厚一般在2M以上，这一方面造成转换层质量和刚度的突变，在地震作用时结构反应增大，转换层上下相邻层更成为结构薄弱层，不利于建筑物抗震；另一方面由于自重和地震作用的增加，下部竖向构件的荷载明显增大，设计难度大。

1.2 转换层形式二：梁式转换

实际工程中，转换层常兼作设备层，转换梁腹部要开设洞口以便设备管道的通过，因此转换梁的计算模型可根据开洞与否以及洞口的相对大小分别取为实腹梁、开孔梁、双梁和空腹桁架等。梁式转换具有传力路径清晰快捷，施工方便，构造简单，工作可靠等特点，转换梁的截面尺寸主要由其抗剪承载力决定，但可通过加腋或采用钢骨混凝土、预应力混凝土等方法来减小截面尺寸。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。

1.3 转换层形式三：桁架转换

桁架分为空腹桁架与实腹桁架两种。桁架转换层与梁式转换相比，受力状态更明确，可使用空间更大，自重小，抗震性能好，但其节点设计难度大，“强斜腹杆、强节点”是桁架转换层设计的基本原则，而节点的受力状态复杂，容易发生剪切脆性破坏，造成计算配筋多，施工不便，限制了桁架转换的应用。

1.4 其它转换型式

其它转换型式包括：

①巨型框架它由竖向筒体或巨型柱与一道或多道大梁组成，具有良好的抗震性能，是目前国内建筑结构发展的一个重要方向。巨型框架要采用模拟施工过程的设计方法，在未形成巨型结构之前应合理地解决临时支撑和保证足够的抗侧刚度；巨型梁以下几层范围内的柱内存在拉应力，应按受拉构件进行设计。

②斜柱转换式可以较好地发挥混凝土的受压性能，形成更多更好利用的建筑空间。斜柱转换中会产生较大的水平荷载，在实际工程中可以结合建筑物的平面布置，通过加设圈梁或拉梁，使其以最短的路径相互平衡，转换斜柱尽可能通过较多的楼层，以减小其在上下楼层产生的水平力，使转换层设计更加方便。

二、高层建筑转换层结构的设计原则

转换层结构的概念：指在整个建筑结构体系中，合理解决竖向结构的突变性转化和平面的连续性变化的结构单元体系，为了满足城市建筑功能的要求,那么结构必须以与常规方式相反进行布置，上部小空间，布置刚度大的剪力墙，下部大空间,布置刚度小的框架柱。转换层的设置造成建筑物竖向刚度的突变，地震作用时在转换层上下容易形成薄弱环节，对结构抗震不利，所以在设计转换层结构时应遵循以下原则：

（1）布置转换层上下主体竖向结构时,注意使尽可能多的上部竖向结构能向下落地连续贯通,尤其框架核心筒结构中核心筒应上下贯通.

（2）弱化上部，强化下部，抗震设计时应保证转换层上、下部主体结构的总剪切刚度比值满足下式 ：式中： 分别为转换层上部第I 楼层、下部第J 楼层的主体竖向结构总剪切刚度。

（3）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。

（4）优化转换层结构。选择具有明确传力路径的转换层结构型式，以便于结构分析设计和保证施工质量。

（5） 将转换结构作为整体结构中一个重要组成部分采用符合实际受力变形状态的计算模型进行三维空间整体结构计算分析.必要时可采用有限元方法对转换结构进行局部补充计算。

三、转换层结构设计中应注意的问题

3.1与建筑专业的相配合

为了满足建筑的需要，因此高层建筑转换层结构型式的选择必须与建筑相互配合。

（1）转换层结构型式的选择应与建筑外观相结合，如巨型框架、拱式转换等型式不仅具有良好的受力性能，而且能满足该类型建筑外观的要求；

（2）转换层结构必须服从于建筑功能的实现，实际工程中常常将设备层兼作转换层，此时转换层中要有足够的空间让设备管道通过，当洞口尺寸超出开孔梁允许范围时，宜用实腹或空腹桁架代替梁式转换。

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。

3.3 转换层下部主体结构的刚度分布

对于转换层结构来说：竖向刚度突变也是最复杂的问题，是不可避免的。为了保证转换层结构上下层主体结构的总剪切刚度满足要求，抗震设计时，常常要采用加大转换层下部主体结构竖向构件截面尺寸、提高其混凝土强度等级、增设剪力墙等方法。

3.4 逆向转换

逆向转换是一种转换层类似倒置的常规转换层特殊的结构，故称为逆向转换层。斜柱转换和桁架转换传力路径明确，刚度较小，最适用于逆向转换层结构，在工程中可结合实际情况选用。当建筑物外观或使用功能要求柱网上疏下密时，下部柱网中由于各柱承受荷载的差异导致相互间的竖向压缩位移差，在下部结构的水平构件中产生较大的次应力。为了避免由此引起的结构问题，在柱网发生变化处必须设置转换层，以调整下部柱网中各柱的荷载趋于均匀。

四、注意事项

4.1 结构转换层型式多且各具特点，设计时应结合工程实际情况加以选用，对于复杂工程可采用多个方案综合比较和选用的方法。

4.2 注重转换层结构的概念设计，合理的结构平面和竖向布置可以从整体上形成良好的抗震体系，保证建筑物的安全性和经济性。

4.3在框架,框架或短肢剪力墙,框架的正交主次转换梁式转换层设计中，应注意选择适当的转换梁刚度，减小由于转换次梁的支座沉降引起的次应力。

4.4在加强转换层下部结构时，要避免由于刚度分布不均匀引起扭转或刚度过于集中而导致不安全。

五、结束语

高层建筑体现一个城市建设的基本特色，承载着城市发展过程的信息。为此，高层建筑的发展也是塑造城市新特色的重要条件。然而如何将现代的高层建筑更更好的与城市建筑中的各个因素相应的结合起来,有效地把建筑风格融合到城市的环境中去设计，是每个建设者需要考虑的问题。

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