高層建筑轉換層結構設計的探討

【摘要】 近十年來，國內外高層建筑都在迅速發展，建筑的上部分用于住宅、旅店，而中間部分用于辦公，下部分則用于商場、餐廳等，功能的多樣化則要求高層建筑結構改變豎向結構形式或改變柱網、軸線，甚至兩者都地改變。結構的改變，必然要求建筑設置轉換層結構，即過渡層。本文筆者介紹了帶轉換層的高層建筑結構設計的國內外工程應用、功能與分類、以及轉換層在應用時應注意的幾個方面。

【關鍵詞】 高層建筑 結構設計 轉換層 問題

前言

隨著高層建筑的快速發展，建筑物的功能相對以前的更加多樣化。高層建筑的發展，使得人們可以在建筑的上部分設置住宅、旅店，而在中間部分設置辦公樓，下部分則用于商店、餐館、銀行、會議中心等需要較大跨度的公共建筑空間。高層建筑的功能多樣化，則要求其建筑結構需滿足其形式的改變。轉換層在高層建筑結構設計中的應用則油然而生，其主要是為了解決上、下結構形式變化中產生的各種力學問題，使得高層建筑上部分的結構力傳遞到下部分結構。

1. 高層建筑轉換層結構設計在國內外工程的應用

國外一些經濟發達國家的高層建筑己有較長的發展歷史，高層建筑的數量也較多，高層建筑中部分采用鋼筋混凝土結構對于一些建筑物功能復雜、建筑結構形式變化較多的建筑在一些結構層也設置轉換結構。

近十年來，國內的高層建筑發展迅猛，轉換結構在高層建筑中，特別是框支剪力墻結構中的應用越來越廣。轉換結構中多采用梁式轉換結構，厚板式轉換結構常用一些功能復雜，上、下結構特別復雜的高層建筑中，箱形轉換結構在鐵路工程中應用較多，一些高層建筑也選用析架式轉換結構[1]。

2. 高層建筑轉換層結構的功能及分類

2.1轉換層的功能特點

從結構角度看，高層建筑的轉換層結構的功能主要如下三點：

2.1.1實現上、下層結構形式的轉換。這種轉換層主要用于剪力墻結構和框架—剪力墻結構，將上部的剪力墻轉換為下部的框架。

2.1.2實現了上、下層結構軸網的轉換。轉換層上下結構形式沒有改變，但通過轉換層，可實現下層柱的柱距擴大，形成大柱網，這種轉換層則用于外框筒的下層以形成較大的入口。

2.1.3實現上下層結構形式和結構軸網同時轉換。上部樓層剪力墻結構通過轉換層改變為下部框架結構的同時，下部柱網軸線與上部剪力墻的軸線錯開，形成上下結構不對齊的布置。

2.2轉換層的分類

從結構形式角度看，轉換層主要有以下幾種：

2.2.1梁式轉換層。一般運用于底部大空間的框支剪力墻結構體系，將上部剪力墻落在框支梁上，再由框支柱支撐框支梁的結構體系，當需要縱橫向同時轉換時，則采用雙向梁布置，梁式轉換層的設計和施工均較為簡單，傳力較為明確，是目前應用最為廣泛的轉換型式[2]。

2.2.2箱式轉換層。當轉換梁截面過大時，設一層樓板已不能滿足平面內樓板剛度無限大的假定.為了使理論假設與實際相符，可在轉換梁梁頂與梁底同時設一層樓板，形成一個箱形梁，箱形梁轉換結構，一般宜遍布且宜沿建筑周邊環通構成“箱子”，即箱式轉換層。

2.2.3厚板式轉換層。當上下柱網錯位較多，難以用梁直接承托時，則需做成厚板，即板式轉換層。厚板的厚度可根據柱網尺寸、上部結構荷載綜合而定。板式轉換層的優勢在于，下部柱網受上部結構布局影響較小，可靈活布置。

2.2.4桁架式轉換層。當高層建筑下部為大空間商場，上部為小空間客房或寫字樓，且需設置管道設備層時，也可采用桁架式轉換層。上部柱墻可通過桁架傳至下部柱墻，而管道則可利用桁架間的空間穿行。采用析架轉換結構時，一般宜跨滿層布置，且上弦節點與上部密柱或墻肢形心宜對中[3]。

3. 高層建筑轉換層結構設計時應注意的問題

3.1宜低位轉換，盡量避免高位轉換

設置結構轉換層的高層建筑，其結構豎向剛度存在一定程度的突變，且轉換層上下附近的剛度、變位和內力都會發生突變，易形成薄弱層，對抗震不利。所以，設置轉換層應堅持轉換層位置宜低不宜高的觀點。盡量降低轉換層的層位，尤其抗震結構匈十，宜避免高位轉換，3層以下為宜，一般不超過6層。

3.2上下軸網力求部分對齊不錯位

如果結構上部、下部的軸網全部錯位，則轉換層結構可能只得采用厚板式，厚板式轉換層結構是所有轉換層結構中缺點最多的一種形式。不僅受力不好，設計難度高，施工困難，而且極不經濟。為避免采用厚板式轉換層結構，盡可能采用梁板式或其他形式的轉換層結構，其必要條件就是上下軸網部份對齊，軸網對齊的比例越高，轉換層結構的設計就越簡單容易，結構受力更明確，經濟效果更好，這方面有賴于結構與建筑方案的密切配合和協調。

3.3框支柱、剪力墻的合理布置

設置結構轉換層的高層建筑，不論采用何種結構體系，都必須保證部份剪力墻直接落地；轉換層下面的框支柱的柱距疏密均勻，框支柱與剪力墻（通常是核心筒）的距離不宜太大（控制在12m以下）。轉換層以上的剪力墻應采用大開間布置。強化下部，保證下部大空間結構有足夠的剛度、強度、延性和抗震能力。轉換層的平面須比軸規則，保證轉換大梁的剛度和出平面外的穩定性。

3.4轉換層上下層剪切剛度及轉換層上下部結構等效剛度的控制

按有關規范規定，轉換層上下層的剪切剛度比γ宜接近1，抗震設計時γ不宜大于2，為了將γ控制在1～2之間，可以采取多種措施；加大落地剪力墻厚度，尤是在下部框架結構適當部位另增設剪力墻，以增大轉換層下層的剪力墻截面面積，轉換層之上的剪力墻數量、厚度需嚴加控制；轉換層下層須從減小轉換層結構的截面高度著手盡量壓縮其層高；轉換層及轉換層以下的鹼強度取較高等級。

為了避免轉換層附近的剛度突變，轉換層下部的框架—剪力墻結構的等效剛度宜與同高度的上部剪力墻等效剛度相等。由于高層建筑是復雜的三維結構，其整體剛度，無法精確求得，只能通過結構位移大小來間接反映其剛度大小。故通常用由程序計算所得的樓層位移值間接表示樓層的等效剛度。

3.5結構整體計算外加局部應力分析

轉換層的結構型式與普通桿件或薄壁桿件差別很大，形狀復雜，內部應力集中，受力復雜。因此，設計中在整體計算控制的前提下，對轉換層轉換構件的分析需采取其它有限元分析程序作補充計算，最好直接選用以墻元或有限元分析為原理的計算程序進行設計，詳細分析其各處的應力，按有限元計算結構進行配筋。

3.6轉換層結構的構造與配筋要求

3.6.1短肢剪力墻的軸壓比控制在0.6以內，框支柱軸壓比也需滿足規范要求。

3.6.2中心筒墻厚在轉換層以下應加厚，一般比住宅底層厚增加100～150，硅強度等級宜提高5～10MPa。必要時在轉換處增設部份剪力墻或在短形柱側增加墻肢來補償底層剛度。

3.6.3轉換層樓板應加強，板厚≥180，雙層雙向配筋，配筋率≥0.25%，轉換層上、下層的樓板亦應適當加強。

3.6.4轉換梁須按規范對框支梁的構造要求進行設計和施工。

結束語

總之，帶有轉換層的高層建筑結構設計時，轉換層的設計是結構設計的難點和重點，主要是因為其結構不同于其他形式結構體系轉換。設計時應不斷研究和比較，盡可能地作出最優化的技術設計方案，以實現高層建筑的安全、適用、穩定的建設目標。

參考文獻：

[1] 莫雪輝. 高層建筑梁、板式轉換層結構設計方法研究[J].科技創新導報，2008，（31）：44.

[2] 婁宇，魏璉，丁大鈞.高層建筑中轉換層結構的應用和發展[J].建筑結構，1997，（01）：21-41.

[3] 朱波，侯建國，黃璜.高層建筑梁式轉換層結構設計探討[J].三峽大學學報，2005，27（04）：341-344.