高层建筑中转换层结构的应用和发展

杨拓

（天津城建大学建筑设计研究院）

随着我国经济日新月异的发展及城市建设的需要，结构设计越来越复杂科学。尤其是现今社会中城市寸土寸金的现状，对高层建筑的需求大量增加。为了满足多功能、综合的用途，在同一座楼中往往下部是商场、餐厅，中层是办公室，高层是住宅。这种设计中，上部刚度大于下部，必须设置转换层。转换层既能满足建筑功能上的需要，又能满足可靠性的需要。受力上能使上部结构的力均匀的转递，转换层既能承担很大的竖向力，又能使水平地震中的建筑安然无恙。为了结构的合理性和安全性，必须加大重视和研究转换层，这样才能使人们所居住的建筑功能全，外观美，而且安全性很高。

1 转换层的应用

1.1 转换层的结构

转换层的结构形式主要有四种：

（1）实腹梁转换；

（2）桁架转换；

（3）箱形转换；

（4）厚板转换。

1.2 转换特点

1.2.1 实腹梁转换

实腹梁是应用最多的转换形式，它受力合理简单、施工简单、转换传力途径优良。实腹梁转换层采用剪力墙和框支梁同框支柱结合的形式，广泛的应用于底层是商场、饭店，上部为住宅、公寓的高层建筑。实腹梁与上层剪力墙共担竖向及水平负荷。当然，实腹梁也有不足的地方，由于下部空间较大，使得转换梁的跨度极大，这需要大梁有很强的抗弯、抗剪能力。为了增强这种能力，只能通过增大转换梁的横截面来实现，因此对于建筑的外观有一定的影响。而且重量增大之后，容易形成上下刚度突变，对于抗震十分不利。

1.2.2 桁架转换

相较于梁式转换层，桁架式转换层的受力状况更加明显，其抗震性更强、自重更小。在建筑工程中应用桁架式转换层结构，能够有效确保建筑安全。然而，在节点设计方面，桁架式转换结构设计难度较高，施工难度大，在建筑工程中的应用并不广泛。对于高度超过3m的转换层，应用桁架式转换结构较为合适。在应用这一结构形式时，设计师可以配合使用预应力技术，将构件截面减小，从而提高建筑质量，减少施工成本。

1.2.3 箱式转换

将转换层两层楼板加厚后与实腹梁结成一体就是箱形转换。箱形转换层的面内刚度大，重量介于实腹梁与厚板转换之间。这种结构形式能承受上下柱网变动较大的情形，建筑布局十分灵活。但是缺点是上下刚度突变大，高位转换不易，施工困难，造价很高。

1.2.4 厚板转换

厚板转换的优点是，建筑结构和轴网可以随意设置在转换层上，在十分复杂的建筑施工中，采用厚板转换能够有良好效果。厚板转换的缺点是，受力复杂、传力途径难以明确，转换板本身受限制，导致转换层面刚性突变。如果如此，转换层十分薄弱，难以保障建筑的抗震性能。因此，设计和施工时谨慎选择此种形式。

2 高层建筑的设计原则

高层建筑的结构设计原则，应该注重概念设计，重视结构和平立面的规则性，注意抗震和抗风。在抗震效果上，必须使整个结构具有必要的刚度、承载力和延性。

基本要求是：

（1）结构有必要的刚度、变形能力。

（2）因局部破坏不能导致整个结构破坏。

（3）应该有多道抗震方式。

（4）避免局部变化和扭转效应造成的薄弱部位。

（5）加强可能的薄弱部位。

建筑的合理性和经济性从设计阶段就应重视，概念设计的重要性还在于方案设计之初。转换方式的选择和研究一开始就应该贯彻在高层建筑的设计之初，这是不可或缺的一步。

抗震设计：

建筑物在遭遇低于设防烈度的地震时，不损坏可继续使用；在遭遇抗震设防烈度预估的罕见地震时，不致倒塌或严重破坏。目标是“小震不坏，设防烈度可修，大震不倒”。

在概念设计时，建筑物的结构布置应该对称、规则并且受力简单、传力合理，具有一定的整体性。抗震就是在地震发生时，结构在较大位移时结构的抗侧力无明显降低，并且维持承受重力载荷的能力，避免建筑破坏。

3 转换层的发展

3.1 国外转换层结构的发展

早在1929年，Matel就贡献了柔性大空间的概念，自此之后，不断有人对这种结构进行分析。在20世纪50、60年代，前苏联、东欧的一些专家首先尝试了通过转换层形成底部大空间的方案。下部为框架结构，上部为剪力墙结构，并且这种柔性底层隔震，提高了高层建筑的抗震能力。从那时起，很多这种结构的高楼大厦都付诸应用。但是此种柔性底层建筑的隔震、抗震能力没有想象的美好。历史上的地震很多都超过了7.2级，1964～1988年的前南斯拉夫的可比耶大地震等地震中，这样的建筑没有能够抵抗住震动，表现出较低的抗震能力。地震中的很多建筑受到严重破坏，尤其是下部结构，这促使人们进一步研究提高建筑的抗震能力。

之后的学者用位移变形增强了转换层抗震能力，这是一个具有重要意义的实验成果，控制每层的位移和层间位移角，使数据值的大小在合理的极限范围内，以此提高抗震能力。20世纪90年代，美国的一部分专家对抗震设计方法和理念进行研究，直到现在，相关的研究和探索一直在进行中。

3.2 国内的转换层的发展

在我国，20世纪70年代开始逐渐应用转换层结构，只是在底层设置大开间剪力墙，仅此而已。1975年，就是在上海天目路建设了十二层高层建筑的结构住宅楼，并通过应力实测、模型试验和框支剪力墙有限元进行分析研究。1986年的中国建筑科学研究院在地震波的作用下对结构模型进行拟动力实验研究。此模型是十二层的底层大空间结构，上部是剪力墙结构。通过此实验得到了一些抗震性能和破坏参数，并研究了此结构存在的主要问题。1996年，我国的建筑科学研究院与东南大学对一榀1/4比例的钢筋混凝土上部开洞剪力墙转换大梁结构模型进行了实验研究。1999年，同济大学对比分析了高层建筑梁式和桁架式转换层两种形式在不同载荷下的承载力和破坏形式，结合实验模型进行了实验研究分析。2001年，中国建筑科学研究院抗震研究所研究了转换梁与上部墙体之间的关系，分析了对转换层结构承载力的影响。2003年，香港大学土木工程系对一栋带有转换梁的七层楼进行了抗震性能的研究分析。

近年来，随着高层建筑使用功能的提高和建筑的多样化，结构形式也呈现越来越复杂的趋势。随着我国工程经验的不断丰富积累和科研力量的增强，我国也陆续推出了高层建筑结构设计、内力调整等相关的规范，如《建筑抗震设计规范》等。

4 高层建筑转换层设计注意事项

4.1 保证转换层刚度

转换层的刚度直接决定着转换层的质量，决定着生命财产安全，尤其是对于高层建筑来说。转换层结构部位会使建筑产生突变，导致成为整个建筑的最薄弱的部位，降低建筑抗震性。设计者在转换层设计时，应该保证其刚度不低于上部结构刚度的70%。因此需要对转换层内部剪力墙合理安排，适当增大厚度，使用高强度混凝土。还应该按照筒体结构布置纵横墙，严格保障转换层刚度。

4.2 合理安排转换层位置

建筑物的高度越高，建筑内部的受力效果越呈现上升趋势。如果转换层设置在较高位置，会影响建筑上下层的刚度和受力形式，还会改变转换层内部受力状况，导致转换层成为最薄弱部位。一般情况下，转换层位置设置在三层之下较为理想。

5 结束语

随着时代的大踏步前进，未来的高层建筑的结构会越来越复杂；但是，随着我们的研究实验水平的探索提高，一定能够满足时代的变化。目前的转换层高层建筑大量涌现，但是，目前的研究在动力特性和抗震性能方面还有不足，尚需努力。转换层也应该多元化发展，结构设计和施工是相辅相成的关系，经过不懈的努力，一定可以完美结合设计与施工。