高层建筑转换层结构设计的探讨

代男男

辽宁德龙工程设计咨询有限责任公司 辽宁 123000

摘要：根据建筑平面及功能要求合理结构布置，正确选择建筑抗震类别是转换层设计的关键点，正确选择各分部的抗震等级，做好高层建筑转换层结构的控制轴压比设计是高层建筑转换层结构设计的关键。

关键词：高层建筑；转换层；结构设计；策略

现今我国建筑业一般能建造20～50 层之间的高层建筑，适应了我国城市的经济发展和需求水平，所以在工程项目中应用最为广泛。高层建筑对于建筑功能的要求很少使用功能单一的住宅或者宾馆等，而更为多的则是地下停车场或者大型娱乐商场等。据统计表明在高层建筑中，有转换层结构的大概占了80%。因为有转换层的部分的梁和柱或者板的尺寸比较大，所以有严格的要求来确保大面积混凝土浇筑等施工、模板的支撑、钢筋的绑扎等方面的施工。在高层建筑中恰当使用转换层施工技术，有科学的施工方案，合理的组织施工现场，能给企业带来巨大的经济和社会效益。

一、转换层概念

高层建筑结构中，为了满足人们对房屋住所的要求，为建筑物预留更大的空间，扩大建筑物网柱，减少墙体；而在高层建筑结构上层，要开设小的空间，就需要多层墙体来实现。然而，在结构设计过程中會因竖向杆件无法贯通接地，使得无法满足高层建筑结构额整体效果和功能，所以采取水平转换结构来与下部竖向杆件进行连接，能够有效的满足高层建筑结构设计在不同功能上的需求。这种形式的建筑结构称为高层建筑转换层结构。

二、高层建筑结构转换层的特点

高层建筑结构的转换结构的组件在高层建筑物中间，对于外力荷载起到了承上启下的过渡作用，即承载上层建筑到来重力荷载，对下层建筑的悬挂构建荷载也需要起到依靠作用，也因此该特殊作用，其也呈现出多种特点，具体总结有以下几点：

1、内力大。因其一方面要承受了来自上层的重力，另一方面要承载下层建筑的悬挂力，对其内力的要求很高；

2、跨度大。转换构件的跨度一般是上层结构的几倍，因此，垂直挠度的要求相当高；

3、构件截面大。面积加强转换构件的刚度和强度时，根据刚度及强度的计算公式进行调整，较为有效手段是增加构件截面面积，因此，就够构件的截面面积较大；高层建筑转换层的设置，造成了建筑物垂直向的刚度的规则性较差，各项外力的传递路线有所变动，不能使用一般方法进行计算，在分析及设计转换层的结构是，不能使用常规方法，其设计显得较为特殊。

三、高层建筑转换层结构设计的策略

1、转换层的结构布置设计

带转换层结构的结构布置除应符合《建筑抗震设计规范》《高规》等对于建筑结构的平面及竖向布置的规定外，还应满足以下规定：

（1）不应对边榀剪力墙进行框支转换；不应在结构底部抽取角柱，形成托柱转换，不应在角部剪力墙的底部开设转角大洞形成框支转换。

（2）纯框架结构抗侧刚度小，地震力作用下侧向变形大，下部为大空间且带转换层框架下柔上刚在地震力作用下非常容易破坏，所以必须设置落地剪力墙来提高建筑物抗震性能。落地剪力墙和框支柱应符合下列条件：

A、落地剪力墙应对称、成对布置，优先采用型钢混凝土剪力墙，相对普通混凝土剪力墙，型钢混凝土剪力墙抗震性能好，耗能系数高，减少了截面面积，提高了承载力，能有效降低层最大剪力、最大位移和层间位移角。

B、框支柱可以选用型钢混凝土柱、钢管混凝土柱、柱内部设置芯柱的钢筋混凝土柱，这些柱能有效降低轴压比，具有承载力大，延性好的优点

C、转换层周围楼板不应错层布置，不应在大空间范围内开大洞口。楼梯间、电梯间处周围的落地剪力墙应围成筒体。

（3）转换层上下结构刚度的突变对建筑物抗震非常不利，结构设计时首先应该增强转换层下部结构的抗侧刚度，同时减小转换层上部的抗侧刚度，最终要使转换层上下结构刚度相差不大。抗震设计时，结构的地震作用效应不仅与刚度有关，还与其质量有关。结构的动力性能取决于结构质量、阻尼和刚度。在转换层结构中，转换层一般集中较大的质量，其质量对下部结构的动力特性影响较大，但对上部结构的动力特性影响较小，结构设计中采用的等效抗侧刚度比意义就不大了。转换层位置越高，转换层上下部结构在地震作用下的变形效应越大，转换层上下部结构等效侧向刚度比的作用更加有限。

综上所述，根据地震作用效应来控制比较合理。因此建议采用转换层下、上层结构层间位移角比来控制转换层下上部结构构件内力和位移突变。转换层上下结构层间位移角比能准确反映转换层上下部结构楼层侧向刚度比、质量比、楼层层间抗侧力结构的受剪承载力比，对抗震设计有重要的意义。

2、高层结构转换层的抗震设计

（1）梁式转换层结构的设计与构造

由框支主梁承托转换层的次梁及次梁上的剪力墙，其受力比较复杂。框支柱梁除承受其上部剪力墙的作用外，还需要承受梁传下来的剪力，扭矩和弯矩，因此，主梁是最容易遭到破坏的。如果对建筑有严格抗震设防要求时，为了改善结构整体的传力途径和受力性能，提高建筑的抗震能力，所有在对结构平面布置时，可以将一部分剪力墙落地，与基础相连，使其与框支剪力墙形成一个整体受力体系。

（2）高层转换梁的设计与构造要求

在对转换梁截面尺寸设计时，是要根据剪压比的计算结果确定的，通常转换梁上不宜开洞，若必须开洞是，洞口的尺寸不能过大，且宜位于梁中和轴附近，还需对洞口做加强措施，以增强局部抗剪能力。如果洞口四周的内力较大时，可采用型钢给予加强。规范规定转换梁用的混凝土强度等级不应低于C30。转换梁主筋在非抗震或6 度设防时的最小配筋率是不低于0.3%且转换梁中主筋不宜有接头。

（3）框支柱的设计与构造要求

框支柱截面尺寸也是根据其轴压比的计算确定的。但在地震作用时框支柱的内力需进行调整：抗震设计时，框支柱的柱顶弯矩要乘以相应的放大系数，并按放大后的弯矩设计值进行配筋。根据最新规范要求，框支柱全部纵向钢筋配筋率，一级抗震时不小于1.2%，二级时不小于1.O%，三级时不小于0.9%、四级及非抗震设计时不小于0.8%。纵向钢筋间距抗震设计时不大于200mm，且不小于80mm，全部纵向钢筋配筋率不宜大于4%。

（4）转换梁的截面设计方法

当前普遍应用的是应力截面设计方法。对转换梁进行有限元分析，根据有限元法分析后的应力大小及其分布规律进行截面的配筋计算，但在进行有限元分析前要假定不考虑混凝土的抗拉作用，因此拉力全部由钢筋承担。受压区混凝土的强度达到轴心抗压强度设计值的同时钢筋也达到屈服强度。

3、高层建筑转换层结构的控制轴压比设计

高层建筑中转换层还要注意轴压的比率，尽量控制这个比率，我们知道，转换层的支梁和支柱在内交角的位置，有一个突出的应力表现情况，由于深受水平负载以及垂直负载的双重影响，柱子的横截面，柱子的剪力，以及柱子的弯矩在相对条件下较小，所以轴压力的承受力主要受框支柱所支撑，转换层以上的墙体垂直负载和水平负载差不多都能借助板平面内的刚度传递给落地剪力墙，因此要严格控制框支柱的轴压比。例如，在一高层建筑实处，设计的方案是这样的：抗震设计时框支柱的轴压比小于0.6，砼的强度等级高于C20，但低于C30，采用螺旋箍围绕框支柱全高密度较小，箍筋直径要不足10，间距不足100rnm，这个设计方案，在真正实行的过程中限制了柱箍筋配箍率，减弱了转换层柱的抗剪能力。因此要切合实际的对高层建筑进行科学的检测，确保万无一失。

四、转换层高层建筑结构的设计时注意事项

高层建筑本来的施工难度系数就比较高，而转换层的施工技术在其基础上又上升了一个难度系数，同时目前我国的带转换层高层建筑的施工经验又比较有限，所以在实际的施工中难免会存在一些问题，趋利避害才能实现长久发展，下面重点分析一些设计注意事项，以给同仁参考：

1、在对带有转换层的建筑进行设计时其转换层下部的结构不能设计为柔软层，否则容易造成建筑坍塌事故。

2、在设计时应该注意要把转换层的上部结构设计成为抗侧刚度接近于下部的抗侧刚度，刚度系数必须保证循序渐进的变化。

3、我们知道底部转换层的高度和其刚度是有关联的，所以施工时，需要合理的控制转换层的高度，同时也需要满足建筑需要的基本刚度，提高建筑的稳固性。

4、帶转换层的高层建筑施工有其既定的施工标准，建设施工时不得出现违规现象。

综上所述，带转换层的高层建筑是未来房地产事业的一个总体趋势，实现带转换层高层建筑的结构设计综合性分析，能够有效的避免在设计中留下重大的安全隐患，这不仅是对广大人民群众的负责，同时也是我国设计单位提高自身能力的一个必经之路。未来，随着带转换层高层建筑规模的扩大，在不断的经验积累基础上，我国的相关技术和设计理念还会得到完善。

参考文献：

[1]关度豪.试述如何做好高层建筑转换层的结构设计[J].价值工程，2010（18）.

[2]林红雨.浅析高层建筑梁式转换层结构的抗震设计--以某高层住宅建筑为例[J]，建筑知识：学术刊.2012，（02）：79-79.

[3]徐志杰.浅议高层建筑转换层结构的设计[J].山西建筑，2011（17）.

[4]曾凡柏.探讨高层建筑转换层结构设计中存在的问题[J].中华民居，2011（11）.

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抗侧刚度通常都会很大，为了能够充分的利用剪力墙，并将此结构的重力减轻，剪力墙的布置最好宽松点，应该使得其结构有着适当的侧向宽度。

2.楼层的最大层间和层高之比

相关规定，于计算多地震作用中的楼层最大层间的位移时，需以楼层间弯曲变形为主，将扭转变形计入，可以不除去结构整体的完全变形。所以，对于高层建筑而言，应该尽可能的将扭转变形降小，不过又不可以仅仅只是依照此层间唯一不够而胡乱的增加竖向构件中的刚度。不过，在实际结构的设计中，有些设计者看到某个方向的层间其位移不能满足规范的要求，就连续的增加此项侧向刚度，不过需要注意，架构的剪重比假若与规范限制较为接近则可以，假若减重太大，则不能将另一侧的结构设计刚度减小。

3.楼层间最小的剪力系数其调整原则

在满足短肢剪力墙所承受的第一振类底部地震倾覆力弯矩占到结构总底部的地震倾覆力弯矩不能超出 2/5 的前提下，应该要尽量将剪力墙的布置减少，且以大开间的剪力墙布置方式为目标，以使其结构有着适合的侧向刚度使得楼层最小的剪力系数大于规范限度，此做法可以减小结构自重，并且合理的减轻了地震作用的输入，最终能够降低工程建设的成本。

4.剪力墙连梁朝鲜的调整原则

在剪力墙中，连梁的跨高比通常要大于等于2.5为宜，连梁的跨高比如果小于2.5，就非常容易出现剪力与弯矩超出规范的限值，相关制度规定，跨高比大于等于5的连梁适合按照框架梁实施设计。换句话说就是跨高比大于等于 5 的连梁的刚度不应该折减。如果跨高比在 5～6 之间时，假如连梁的刚度还是不折减，那么就很容易出现剪力或者弯矩超限。

六、结语

现如今，国家对于建筑结构的法律规定越来越规范，对于建筑结构中的剪力墙结构设计的应用也做出了相适应的规范。所以，我们在进行高层建筑的结构设计工作时，应当明确结构设计的相关概念，然后根据规范进行设计，从而使建筑结构的设计工作不断优化。

参考文献：

[1]支韶阳 建筑结构设计中剪力墙结构设计的应用分析[J]《商品与质量·建筑与发展 》 -2013年11期-

[2]贺海洋 剪力墙结构设计在建筑结构设计中的应用[J]《建材与装饰》 -2012年21期-

[3]胡金焱 浅谈剪力墙结构设计在建筑结构设计中的应用[J]《科技创新与应用 》 -2013年31期-

[4]张小康 剪力墙结构设计在建筑结构设计中的应用[J]《城市建设理论研究（电子版）》 -2013年9期-

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地区或是東西向窗口。其弱点是与通风阻挡和对视线非常严重，一般不能用于固定式建筑构件，对一些方便拆卸和活动建筑构件的遮阳效果较好。

（三）幕墙密封系统设计

分为干式密封和湿式密封两个分类。

1.干式密封主要采用胶条，应用在单元式幕墙、小单元式幕墙上。主要成分是三元乙丙，一般30% 左右，随气候条件变化而调整其含量、配方。1m2 幕墙所用的密封胶不多，一支300mL 胶能够满足胶缝0.8cm。通常计算胶用量，就应先求出总胶缝长度，乘以宽度就等于平方数，最后计算出胶的用量。现场施工设计也不需要太精准的计算用量，只要满足现场施工需要，控制进场胶量即可。

2.湿式密封主要采用硅酮耐候密封胶，组角胶、带胶打钉，主要应用在框架式幕墙及单元式幕墙的工厂加工组装阶段。硅酮耐候胶具有耐污染、耐紫外线照射、耐候性、耐水性等特征，主要是用于幕墙材料之间，通过密封嵌缝来保证材料道德气密性。硅酮耐候胶在高温时不流淌，在低温时的弹性也比较好，因此是一种性能较好的密封材料。

3.细生产施工

在幕墙设计和施工过程中，应重视施工质量，主要着眼点放在玻璃的质量控制、组装的质量控制、安装的质量控制三个方面，减少缝隙，贯彻设计意图，确保实际k 值相比理论k值不打折。在玻璃的质量控制方面，应选择质量合格的玻璃材料，在主体结构、预埋件施工、隐框架结构施工方面应特别注意。

在组装的质量控制方面，应检查各组成构件的质量，清除焊接接头的颗粒和灰尘。在安装的质量控制方面，其步骤如下：基层处理→校核施工放线→检查骨架安装的质量→调整幕墙骨架的方向→密封。

三、结束语

随着现代建筑的发展，人们对建筑物的性能要求越来越高。为了缓解能源危机，建筑节能势在必行。在现代幕墙设计中，节能理念的应用，能大大减少建筑行业的能源消耗，还能促进现代建筑的健康发展。但也应认识到，幕墙设计中节能理念的应用应从安全性、经济性、适用性、科学性出发，选择合适的节能材料、节能材料，以合适的节能构造方法，采取必要的节能辅助措施，才能取得较好的节能效果。

参考文献：

[1]侯菊，郑钧升.玻璃幕墙的能耗及节能设计[J].科技资讯.2009（31）.

[2]何浩强，蒋建龙.浅谈建筑节能的创新[J].山西建筑.2009（02）.

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