带结构转换层的高层建筑结构设计

摘要：建筑行业相关技术的发展对带有结构转换层的高层建筑的结构设计产生了很大的积极影响，为了更好的改变楼层的建筑功能，通常对于垂直结构样式或柱网格、轴或甚至两者都需要进行改变。

关键词：结构转换层;高层建筑;设计;施工进度;空间结构

社会的不断进步为改善人们的生活环境质量提供了可靠的保证，高层建筑结构的下层比上层承受更大的力，因此结构布局下方的刚度通常较高，并且具有更多的墙体。但是，布局和建筑功能能够满足空间的基本要求不同，因此，为了确保能够更好的使用建筑功能，对于水平转换的构件需要布置在结构转换层上。下文主要介绍了结构转换层的常见类型和受力机理，包括高层转换层的布局和设计原理以及带转换层的高层建筑的抗震性能，还有新的转换层结构，从而解决转换层结构的不同问题。

1 高层建筑结构转换层的相关内容

1.1 结构转换层的作用

通常，高层建筑的较高楼层的压力较小，而较低和中层的压力较高。同时，每一层的受力情况都是不同的，所以，设计人员在整个设计过程中一定要采取措施，最大程度上提高高层建筑下部结构的刚度，柱等结构效果，以保证此类建筑物在实际使用中的质量和可靠性。

1.2 主要类型的结构转换层

高层建筑结构转换层主要有两种类型存在，（1）板结构转换层。由于高层建筑上下两层之间存在很多柱网，因此有必要依靠平板结构转换层的作用来确保层之间力的均匀性。板结构转换层在实际应用过程中需要满足抗剪性的特定要求，并且板状结构转换层的最大厚度不应超过2.8m。同时，板结构的柔韧性比较突出，但其自重较大，需要很多辅助材料。（2）梁类型转换结构。在高层建筑的垂直转换施工过程中，需要依靠梁式转换结构来完成相关的操作。这种传输结构更为常见，它能够在高层建筑的不同楼层之间传递力，并确保高层建筑整体结构的稳定性。

2 结构转换层类型的选择

转换层的结构形式通常可以分为三种基本类型：梁型，板型和箱型。箱型和板型过渡层的应力相对复杂，该设计只能在使用三维空间计算程序执行整体力分析并且使用有限元方法执行局部分析之后才能执行。同时，箱式和板式转换层的混凝土消耗量非常大，成本也很高。另一方面，梁型转换层具有简单的作用力，施工十分便捷，混凝土用量少，成本低，因为这些优点的存在最终被高层建筑转换层广泛的使用。

3 具有结构转换层的高层建筑设计中应注意的问题

各种类型的高层建筑在特定的设计过程中需要考虑很多问题，主要是确保不影响整个施工的进度。其中，在结构转换层的高层建筑设计中存在一些需要高度注意的常见问题：

首先，确保大空间层具有一定的刚度，并且对转换层的上下结构的横向刚度比进行良好的控制，同时将等效横向刚度控制在1.0-1.3之间。其次，为了消除外力对框支剪力墙的影响，十分必要增加剪力墙的竖向构件的加固率。第三，结构转换层的位移角度对高层建筑的整体结构造成了很大的影响，所以必须采用可靠的技术手段对位移角度进行控制，以确保高层建筑基础上的重力载荷满足一定的抗震要求。最后，为了增强弱层的抗压能力，有必要加强厚度约220mm的现浇混凝土层，并在相邻层之间设置厚度约150mm的层，结构布置相应对称，薄弱层的厚度和加固应予以加强。

4 高层建筑结构的结构改造设计优化策略

4.1 减小过渡层垂直结构的刚度差异

在具有结构转换层的高层建筑物的实际使用中，转换层的垂直结构的刚度突然改变，这严重影响着结构转换层的安全问题。所以，在高层建筑过渡层的设计过程中，设计者应减少过渡层双向结构的差异，对于上下过渡层的刚度之间的差异进行良好的控制，适当增加层厚度，并在相关结构中设置安全系数的补偿剪切力，以确保某些高层建筑结构的空间刚度。

4.2 充分考虑不同层应力条件对千转换层的影响

高层建筑结构的过渡层具有特殊性，为了更好的确保高层建筑整体结构的稳定性，设计人员一定要掌握梁跨部位支撑件正、负弯矩速度的变化主要规律，以确保梁的合理性。设计人员还可以将梁部位下端的钢筋设计为完全埋入的结构，从而达到减少钢筋弯曲的影响并提高结构过渡层的安全性能的效果。

4.3 合理布置剪力墙

高层建筑的转换层对千剪力墙的合理布局具备一定要求，主要是强调转换层作为整体结构的作用。通常，在设计转换层结构时，剪力墙的框架柱之间的空间一定要保持均匀，并且两者之间的距离应控制在合理的范围内。

5 重叠后转换结构

5.1 設计原则

作为转换结构的转换柱具有混凝土消耗少，重量轻，建筑空间充分利用以及上下层的刚性低的优点。应当注意，重叠柱上方的楼板较弱，因此应加强其刚度。

5.2 搭接转换结构的工作原理

通过重叠块连接的地梁的承载力和轴向刚度的控制是重叠柱过渡结构的安全性和可靠性的保证。在层的承载力和刚度足够大之后，需要控制好叠置柱的次级内力和变形问题，因此，关键在于控制叠置砌块相连层的承载力和轴向刚度。

5.3 落地框架结构的工作特性

作为主要的横向抗力部件，芯管必须保证其承载能力，延展性和横截面尺寸。当缓凝粘土的强度等级从上到下变化，并且横截面尺寸和匹配度发生变化时，这种变化将扩展到搭接柱横截面的上层，立柱过渡会对的局部刚度产生一定的影响，必须进行弱化以确保整个结构的抗震能力不会有太大变化。

5.4 搭接接头过渡结构的计算与分析

计算和分析主要可以通过SATWE和PMSAP之类的软件来执行。

6 新的转换结构

6.1 斜撑转换结构的优点

优点包括清晰的力传递路径，合理的接收方法以及比变化范围小的刚性。因此，在水平地震的作用下，能够大大减小层之间的剪切力的变化范围和构件的内力。

6.2 宽光束转换结构的优势

其优点是有利于建筑设备的使用，降低转换层的高度，对建筑功能的使用影响较小，并且对转换梁的应力较大。根据建筑物功能的需要，选择合适的结构转换层，能够大大降低成本，更好地展现建筑物的美感。

7 结构计算

框架支撑剪力墙结构的内力分析分為两个步骤：首先，使用三维空间的方式对整个结构进行详细的内力分析，以获得各个构件的内力和钢筋;第二，对转换梁（框架支撑梁）附近进行详细的平面有限元分析，从而获得详细的应力分布，接着确定过渡梁（框架支撑梁）和附近墙壁的加固，根据平面有限元分析范围选择底部框架和框架支撑层上方的墙，对底部框架处支撑梁和柱的有限元进行分配，在梁和柱的整个横截面高度下将其分为五个相等的部分。

对于带有转换层的高层建筑，由于转换层下层的空间要求大，一些垂直的侧向阻力构件是不连续的，并且侧向刚度会突然改变，通常情况下小于转换层上层的刚度。在进行设计时，需要采取措施来减少刚度和承载力的改变，并确保满足抵抗风和地震设计的要求，底部具有转换层的薄弱地板的地震剪切力应乘以1.15的增加因子。

分析结果表明，框架梁在大多数情况下是偏心的受拉构件，可以承受较大的剪切力。当在框架支撑梁的壁上设置侧孔时，形成小壁肢，该小壁肢的应力集中特别显著，并且在侧门开口处的框架支撑梁的应力急剧增加。在水平载荷下，上部有边门洞的框架梁的弯矩约为上部无边门洞的框架梁的弯矩的3倍，剪力大概也是3倍。除了较小的墙壁外，还应加强门洞部位框架梁的抗剪承载力，并应加固箍筋。在此项目设计中，应通过在横梁末端增加轴来提高抗剪能力，并应加固箍筋。

8 结语：

过渡层结构十分复杂，工程量也非常大。设计师需要把注意力放在概念设计上，这样可以避免走弯路。其次，通过以上详细的分析结果，能够得知，针对一些建筑物在建筑物的布局中必须尽可能规则和对称，减少偏心率，优化和调整上下层的布局和刚度转换层的结构使它们彼此靠近。同时，还需要注意框架梁和框架柱等组件的特殊性。最后，必须要仔细考虑施工过程中产生困难的因素。因此，在设计中应尽可能考虑施工的可行性，最终更好的实现最合理的设计。

参考文献：

[1]张博，高层建筑梁式转换层结构设计原理及其应用[D].湖南大学，2016.

[2]吕鹏，徐刚，刘洪亮某，带转换层的高层建筑结构设计的研究[J].建筑结构设计，2016（12）.

[3]赵海杰，带转换层的高层建筑结构设计与分析的概述[J].四川水泥，2016（12）.

作者简介 ：林国雄（1986-），男，汉族，籍贯：广西合浦人，工程师，主要从事建筑工程的结构设计工作。