关于高层建筑转换层的结构设计探究

潘兵奇　赵晓明　孙超

【摘 要】 结构转换层，顾名思义就是对结构起到转换作用的楼层，它首先起到的作用就是对上下楼层的结构进行转换，转换层能够使上部剪力墙结构转变为框架结构，错开上部楼层轴线和柱网轴线，错位布置上部结构和下部结构。满足建筑结构转化的需求。本文对高层建筑转换层结构形式、结构布置及设计进行了分析和探讨。

【关键词】 高层；建筑；转换层；设计

近年来，经济持续发展大大推动了建筑的城市化进程，对建筑物功能的多样性提出了较高的要求，建筑物的功能不再单一，而是日渐趋向于多样化、功能化、全面化。比较常见的形式是上部是面积较小的公寓、住宅，下部是大空间的商场或大型的公共场所；从功能上看，高层建筑上部需要较多的墙体分隔来满足住宅户型的要求，建筑物下部则希望有尽可能大的自由灵活的空间，大柱网、少墙体来满足公共场所的使用要求，按照这样的原则进行结构布置时，就会形成上部结构墙体多而且密集，下部结构柱网稀少，从而造成上下刚度悬殊较大，上刚下柔，这与常规的结构布置原则是恰恰相反的，所以规范对高层建筑转换结构设计特别提出了详细的要求。高层建筑转换层结构形式的选择有以下几种结构形式：梁式转换层，厚板式转换层，桁架式转换层。

1 高层建筑转换层结构形式

1）梁式转换层。梁式转换层是目前高层建筑普遍采用的结构形式，根据高层建筑功能要求，转换层如果可以保证较高的层高，就可以作为正常的楼层使用，若受层高限制或设备专业的要求，也可以作为专门的设备层使用。梁式转换层是指在钢筋混凝土楼板之上设置单向、双向、斜向托梁，从而达到承托本层之中落空的上层承重柱或剪力墙的目的。如果设计要求需要横向和纵向同时转换，也可采用双向梁的布置形式。而对于框筒结构或筒中筒结构，可以按照实际情况的需要在相应的楼层当中布置一圈转换大梁，其目的就是通过转换梁将上部墙体的荷载传递到下层两边的柱上去，从而保证结构的整体稳定性。梁式转换层的传力途径较为简单、明确、明了，墙-梁-柱，所以目前它的应用相对广泛，基本都用于上部剪力墙、下部框架柱的高层建筑当中。而且梁式转换层的设计和施工都较为简单。但是当上下轴线错位布置时，就需要增加较多的转换柱和转换梁，此时建筑物空间受力较为复杂，需要增加应力分析。

2）厚板式转换层。厚板式转换层普遍用于上下柱网错位较多的情况，此时难以用转换柱和转换梁承托，即可采用板式转换层，厚板转换层的厚度是根据柱网的尺寸和上部的荷载综合确定。厚板转换层中下部的结构布置受上部结构布置影响较小，同时由于厚板的刚度很大，类似于一个承台，从而楼层的整体性很好。厚板转换层的缺点就是自重大，产生的地震作用也大，建筑材料消耗较大，建筑的经济性无法保证。因此，此种结构的设计和施工难度都非常大，在实际工程当中的应用比较少。

3）桁架式转换层。在桁架的分类中，主要有空腹法和实腹法这两种桁架转换方式，桁架式转换层的技术应用原理主要是是借鉴于梁式转换层结构转换原理，并加以改进，使其在受力上更为精准、整体性更强、抗震性更高、框架支柱柱顶弯矩和剪力更加小一点的优势，然而同时它也有许多明显的不足，例如技术施工较为困难、转换层制作工序繁杂、节点设置较难等等。对其结构进行整体性的内部受力分析，在高层建筑低层是大型商业场所时，所需空间大，相反高层则需要单个的小型空间，这时就应该能够采用桁架式转换层技术，其中尤其是在进行管道设置施工环节时，更需要使用这种方式，因为这种桁架式转换层施工技术能够更精准的进行管道设置。另外，此种转换层技术布置施工时要跨满层进行，还要将上弦节点和上部密柱中心的位置处于同一水平线，这样能够降低下层框架对整个转换层重量的承载比例，从而保护下层框架。

2 高层转换层的结构布置

在高层建筑结构设计之中，往往会有不止一处的转换层，所以在底部有转换层的建筑上部结构进行转换的时候有些竖向的构件并不能直接与地相连，这就需要有一种安全的构件来帮助进行转换。目前我国建筑主要转换结构有转换大梁、析架以及空腹析架等等，这些都是可以用于转换层的构件，不过要注意有些转换构件并不是都适用于所有高层建筑转换层，因为这需要考虑到地震的因素，有些转换构件并没有经过太多的地震测试，所以安全性有待考究，如厚板转换形式就不适用于地震多发区的结构转换，但是对于具有较大空间的地下室，在地震发生的时候破坏力对地下室的影响较小，转换后板可以采用其中。在高层建筑的转换层设计之中，落地剪力墙和框支柱的布置可以起到非常有用的作用，可以有效加强转换层在地震中的稳定性。如果是通体结构的高层建筑需要进行转换层结构的转换，那么要求筒体结构建筑的内筒全部贯穿在一起并且落地，并且根据有关要求进行墙体的加厚；对于框支剪力墙结构的建筑来说，如果需要进行结构的转化必须要有充足的剪力墙；长矩形框支剪力墙在落地剪力墙的间距设置上应该严格按照有关规定进行。以上这些都是不同建筑结构在进行转化层设计的时候需要注意的方面，采用这些方式对于具有转换层的高层建筑可以有效地对刚度進行掌控，可以减少内力或者是地震给建筑带来的形变程度，让转换层上下两部分的能量传递更加快捷，这也就帮助建筑的转换层可以轻易地承受较大力量的传递，增强了建筑转换层的稳定性。此外在门洞的设置问题上，框支剪力墙的转换梁的上一部门墙体和中柱上方都不应该设置门洞，因为这些门洞会削弱转换层的传递能力。而对于落地剪力墙和筒体来说，它们的门洞应该设置在墙体中间部分，因为这样可以使得剪力墙墙肢受力均匀。

3 转换层高层建筑结构的抗震设计

根据有关数据计算结果显示，在水平地震作用力下，倾覆力矩分布曲线会在转换层处发生转折、可以发现高层建筑的高层如果存在转换层，那么对于整个建筑的抗震都是非常不利的，在进行抗震设计的时候，在转换层下部一般都是剪力墙结构，落地剪力墙所分配的倾覆力矩从转换层向下传递的速度比较快，但是支撑框架的倾覆力矩传递很少。从另外一个角度来说，在转换层处，由于框支剪力墙的大部分力量都从楼板传给了落地剪力墙，进而造成了倾覆力矩曲线出现较大的转折。综上所述，如果建筑的转换层处于建筑的较高处，那么在剪力进行传输的过程中更容易造成落地剪力墙的破坏，而因为剪力墙上面的一部分墙体受力较大，框支剪力墙容易出现裂缝和变形，至于下部的框架自然也是更加脆弱，这些都给高层建筑的抗震埋下了隐患，所以在实际设计之中，为了增强这些薄弱部分的抗震能力，对于那些超过3层的转换层，它们的框支柱以及剪力墙底部在进行设计的时候，应当加强抗震等级，从设计上提高其抗震要求，确保建筑的抗震能力不出现问题。不过对于一些特殊的转换层框架，则不用采取这种措施，比如底部带转换层的框架，这种结构建筑的转换层的上部不能够直接和地下相连，这种建筑的转换层是非常薄弱的地方，对其地震的剪力计算应该乘以规定的倍数。而在高层建筑的转换层刚度计算之中，不能够认为该楼层的刚度满足需求就认定楼层是安全稳定的，对于这种结构的转换层刚度计算要加大倍数；而对于八度级别的抗震进行设计的时候，不仅需要考虑水平力的作用，对于地震竖向产生的作用力也要进行计算，可以利用动力时程分析方法对其进行计算；如果采用模糊算法，可以直接把转换构件在重力荷载标准作用下的内力乘以1.1。此时框支柱的内力增大幅度比较高；如果高层建筑的转换层在3层及3层之上，那么对于建筑的抗震能力影响更大，此时对于建筑内力的计算也应该增加一些幅度。高层建筑结构进行转换是一种对抗震非常不利的设计，对于那些要求抗震能力达到9度以上的高层建筑不应该使用，对于有转换层的高层建筑的防震要求应该按照建筑的实际情况，结合有关计算标准进行结算，同时采取合适的构造方法对于建筑的防震设计也是非常的重要。

4 结语

在现代化高层建筑转换层结构中，其应用功能的多样化而造成建筑物结构传力体系更加复杂，在进行结构设计时，应按照规范要求，并根据实际情况做好结构分析计算和优化设计，尽可能将影响建筑物使用功能的诸多因素考虑进去，从而达到科学、经济的设计目的。

参考文献：

[1] JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[2] GB50010-2010混凝土结构设计规范[S].

[3]李国胜.简明高层钢筋混凝土结构设计手册[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2003