高层建筑转换层结构设计探讨

刘璇璇

【摘要】本文介绍了转换层的概念及设计原则，分析了高层建筑转换层结构形式及特点，提出了转换层结构设计方法。

【关键词】高层建筑；转换层；结构设计

当前，在我国较常见的建筑物形式为上部为小开间的民用住宅，较多的墙体来分隔空间以满足户型的需要；下部为大开间的商场或公共娱乐场所，大柱网、少墙体，以满足公共使用要求。为了实现这种结构形式的建筑物，必须在上下不同的结构体系转换的楼层设置转换层，完成结构变化形式的过渡。文章对高层建筑转换层结构设计作了详细探讨。

1.转换层的概念及设计原则

1.1转换层的概念

一般情况下，位于高层建筑结构的下部受力较大，而上部结构受力相对较小，因此为了保证整个建筑的安全性，必须确保下部结构牢靠，因此通常在下部的结构布置刚度大、墙体多、柱网密，越往上部建造，所需的墙、柱数量都相应减少，从而扩大柱网，导致整体的建筑物出现上部的活动空间远远比下部的活动空间要大，不符合建筑功能对空间的需求。为了实现建筑功能需求，必须打破原有的常规设计，在创新的过程中，就会使用到转换层结构，其功能主要是在结构转换的楼层设计水平转换构件及其以下的竖向结构构件，使得整个建筑符合其使用功能。

1.2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；另外，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质量；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及特点

2.1粱式转换。目前，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的。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。

2.2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。

2.3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，拖工难度大。

2.4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。

桁架转换层设计的基本原则是"强斜腹杆、强节点"，因节点受力错综复杂，出现剪切脆性破坏的情况较多，引起计算配筋多，为施工带来了一定的难度，从而应用受到限制。在使用桁架转换层设计时应时时注意一下几个方面：（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，那么在地震發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。

2.5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。

2.6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。

3.转换层结构设计

3.1框支柱

框支柱截面尺寸一般由轴压比决定，还应满足剪压比。轴压比主要影响框支柱的延性，只有严格控制其轴压比，才能保证框支柱的延性能够应用于高层建筑中。工程框支柱的抗震等级为一级，因此其轴压比应小于0.6；若是截面尺寸较大，那么其轴压比就应小于0.55。其延性还受到配箍率的影响，因此与一般框架柱相比，框支柱的配箍率要大得多。

在转换层结构中，框支柱是很重要的构件，保证其安全性对整个结构都具有非常重大的意义。因此柱端剪力及柱端弯矩都应与相应的增大系数相乘，计算每层框支柱的承受剪力和时，直接选取基底剪力的30%。在计算时，一般采用程序进行，假设的条件是楼板刚度无限大，根据竖向构件的刚度，对水平剪力进行分配。因框支柱远远小于底部剪力墙刚度，因此框支柱剪力较小。

在实际建筑中，由于受到各种因素的影响，工程中的楼板会出现变形现象，剪力墙也会产生裂缝，这些方面都会降低刚度，从而增加框支柱剪力。因此在结构设计中，会将增大框支柱剪力的部分独立出来，单独做出要求。此外，应将位于框支柱上部墙体的纵筋伸入到上部墙体内一层，强化转换层上下之间的连接；位于墙体范围外的纵筋应采取水平锚入转换层梁板内的方法，达到锚固要求。

3.2框支梁

作为上下层荷载的传输枢纽，框支梁能够保证框支剪力墙抗震性能。框支梁截面尺寸主要受剪压比支配，宽度应大于其2倍的上墙厚，并保持在400mm以上；高度应根据计算的跨度决定，为跨度的1/6；在施工中，规定框支梁的梁宽为800mm。由于其受力较巨大、复杂，因此结构设计时，应保证留有一定的安全储备。框支梁纵筋的抗震等级为二级，要求

其配筋率应大于0.4%。因框支梁的受力不均匀，梁中存在较大的轴力，因此应配备一定的腰筋量，保证施工顺利实施。腰筋采用Φ16规格，沿梁腹板高度配置，间距不大于200mm，并应可靠锚入支座内。

作为抗震的重要构件，框支梁的受剪很大，应遵循"强剪弱弯"的方针，在纵筋数量较多的背景下，加强箍筋。

3.3转换层楼板

以转换层为界，框支剪力墙被分为上下两部分，且这两者的受力情况是有差异的。上部楼层中，外荷载产生的水平力具有一定的分配原则，是根据各片剪力墙的等效刚度比例来进行的；下部楼层中，框支柱的刚度不同于落地剪力墙间的刚度，水平剪力主要由后者承担，即在转换层处荷载分配不均匀。转换层楼板的任务较重，主要负责完成上下部分剪力重分配，且因转换层楼板自身存在的受力大、变形大特点，必须要有足够的刚度来支撑其任务的完成。

4.总结

由此可知，转换层在高层建筑的应用必不可少。每座建筑的结构都有其自身的特点，应根据需要，选择合适的转换层类型。在施工中，还用注意每一环节的施工，在了解各构件特性的基础上，合理的发挥其长处、解决其短处，保证转换层的质量。

参考文献：

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[2]毛华毅.浅谈高层建筑结构设计的若干问题[J].山西建筑，2010，（9）.

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