高層建筑轉換層結構設計的探討

（中國建筑西南勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610000）

本文選取某一具體工程作為研究對象，這一工程屬于高層商住樓，主要是由兩部分組成，分別為商業裙樓以及高層塔樓。這一工程地下3層,地上26層。其中地下室層高4.8m,布置設備用房及公共機動車泊位,地下2層、3層設六級人防。地上1～3層為商業用房,層高4.5m,安裝有集中空調及消防系統;第4層為轉換層,層高5.7m;4層以上為剪墻結構住宅。住宅除第24層層高為4.2m外,均為3.0m層高。31層以上為機房,室外地坪以上主體高度為98.70m,建筑總高度(至機房頂)103.20m。除此之外，這一工程的地形為緩坡地形，經過研究與分析，場地及其附近未有活動斷裂帶或深大的活動斷裂帶通過,場地地層構造及地形穩定,屬抗震有利地段。本文就結合這一具體工程隊高層建筑轉換層結構設計進行一定程度上的研究與分析。

1 高層建筑轉換層結構設計發展趨勢

隨著經濟的發展以及科學技術水平的不斷進步，待轉換層高層建筑結構必然會適應市場需求，尋求新的發展，主要有以下幾個方面的發展趨勢：①鋼骨混凝土的廣泛應用。對于鋼骨混凝土來說，它有著優良的品質，尤其表現在高承載力以及高剛度之上。一方面，可以對梁的截面尺寸進行較大程度上的減少；另一方面，鋼骨混凝土本身具有較強的可塑性、耐久性以及抗震性。②鋼骨混凝土具備較高的定位。這樣一來，就可以在很大程度上對支模進行有效的減少，使得施工進程大大加快。目前狀況下，我國的鋼骨混凝土的應用仍然較為局限，但在國外，它已經得到了人們的肯定。

對于預應力混凝土高層轉換層來說，它的應用十分廣泛，這主要是由其本身所具備的高性能決定的。它的結構較為合理，在進行施工時能夠帶來諸多的優點。比如對截面尺寸進行有效減少、進一步控制裂縫以及撓度，控制工作階段的裂縫寬度及減輕支撐負擔等等。因此，預應力混凝土結構非常適合于建造承重荷載較大且跨度較大的轉換層，且有自重輕，節省鋼材和混凝土等優點。

2 主要結構形式

在《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3-2002)中，規范對轉換粱的最小高度和寬度作了很明確的規定：框支梁截面的寬度不宜大于框支柱相應方向的截面寬度且不宜小于其上墻體截面厚度的2倍，且不易小于400mm；當梁上有托柱時，不應小于梁寬方向的柱截面寬度。進行抗震設計時，轉換梁高不小于其跨度的1/6；非抗震設計時，轉換梁高不小于跨度的1/8。

3 轉換層的設計原則

3.1 轉換層的豎向布置

帶有轉換的高層結構可根據其建筑功能和結構傳力的路徑，可以沿高層建筑的高度方向一處或多處靈活布置；也可根據建筑的使用功能要求，在樓層某些局部布置相應的轉換層，可根據自身的特點作為正常使用樓層，也可作技術設備層，在轉換層的設計中應確保轉換層具有足夠的強度和剛度，保證豎向剛度不能過大。如果對大底盤多塔樓的商住建筑，塔樓的轉換層宜設置在裙房與塔樓的交接樓面處，并加大樓面轉換梁、板的尺寸和厚度，目的是和上下樓層的剛度保持接近，以避免中間出現剛度特別小的樓層，進而地震對高層建筑的危害。若對部分框支剪力墻的高層建筑結構設計是，應特別注意轉換層的設置位置，根據《高層建筑抗震設計規范》規定7度區不宜超過第5層，8度區不宜超過第3層。如果轉換層位置超過上述規定時，應作專門研究并采取有效措施。

3.2 高層建筑轉換層的結構布置

實驗研究證明，底部的轉換層設置的越高，轉換層所在層上、下層剛度的變化也就越大，在荷載的作用下轉換層上、下層內力傳遞途徑的突變就越明顯；除此之外，高層建筑轉換層的位置越高，落地剪力墻因受彎也就更加容易出現裂縫，從而使框支柱的內力增大，造成轉換層附近上部墻體易于破壞。總而言之，高層建筑轉換層位置越高對建筑的抗震越不利。對于底部帶轉換層結構而言，轉換層上部的部分豎向構件（如：柱、剪力墻等）久不能直接連續貫通落地，因此，這就要求建筑結構師在設計是必須設置具有更加安全可靠的轉換構件。如果僅根據按現有的工程經驗和理論結果，轉換構件宜采用轉換大梁、斜撐、箱形結構以及厚板等形式。對于帶有大空間地下室的高層結構，因周圍對整個建筑物有約束作用，地震反應小于地面以上的框支結構，故7、8度抗震設計時的地下室可采用厚板轉換層。

3.3 抗震等級

對于一般工程來說，其轉換層以下為框架--剪力墻結構,轉換層以上為純剪力墻結構,是多種結構形式共存的復雜高層建筑,因而不能像單純的框架結構或者剪力墻結構那樣籠統地確定抗震等級,而應該嚴格按照現行規范的不同章節,有針對性地分別確定結構體系各部位不同結構構件的抗震等級。該工程屬框支剪力墻,高度98.7m,6度設防,框支框架等級為二級,剪力墻底部加強部位為二級,非底部加強部位剪力墻為三級;由于工程轉換層設在建筑4層樓面,屬于高位轉換,根據5高規6中對復雜高層建筑結構設計的特別規定,當轉換層位置設在三層及三層以上時,其框支柱、剪力墻底部加強部位的抗震等級。故該工程框支柱應定為一級,剪力墻底部加強部位定為一級。

4 高層結構轉換層的抗震設計

4.1 梁式轉換層結構的設計與構造

由框支主梁承托轉換層的次梁及次梁上的剪力墻，其受力比較復雜。框支柱梁除承受其上部剪力墻的作用外，還需要承受梁傳下來的剪力，扭矩和彎矩，因此，主梁是最容易遭到破壞的。如果對建筑有嚴格抗震設防要求時，為了改善結構整體的傳力途徑和受力性能，提高建筑的抗震能力，所有在對結構平面布置時，可以將一部分剪力墻落地，與基礎相連，使其與框支剪力墻形成一個整體受力體系。

4.2 高層轉換梁的設計與構造要求

在對轉換梁截面尺寸設計時，是要根據剪壓比的計算結果確定的，通常轉換梁上不宜開洞，若必須開洞是，洞口的尺寸不能過大，且宜位于梁中和軸附近，還需對洞口做加強措施，以增強局部抗剪能力。如果洞口四周的內力較大時，可采用型鋼給予加強。規范規定轉換梁用的混凝土強度等級不應低于C30。轉換梁主筋在非抗震或6度設防時的最小配筋率是不低于0.3%且轉換梁中主筋不宜有接頭。

4.3 框支柱的設計與構造要求

框支柱截面尺寸也是根據其軸壓比的計算確定的。但在地震作用時框支柱的內力需進行調整：抗震設計時，框支柱的柱頂彎矩要乘以相應的放大系數，并按放大后的彎矩設計值進行配筋。根據最新規范要求，框支柱全部縱向鋼筋配筋率，一級抗震時不小于1.2%，二級時不小于1.O%，三級時不小于0.9%、四級及非抗震設計時不小于0.8%。縱向鋼筋間距抗震設計時不大于200mm，且不小于80mm，全部縱向鋼筋配筋率不宜大于4%。

4.4 轉換梁的截面設計方法

當前普遍應用的是應力截面設計方法。對轉換梁進行有限元分析，根據有限元法分析后的應力大小及其分布規律進行截面的配筋計算，但在進行有限元分析前要假定不考慮混凝土的抗拉作用，因此拉力全部由鋼筋承擔。受壓區混凝土的強度達到軸心抗壓強度設計值的同時鋼筋也達到屈服強度。

結語

本文主要針對高層建筑轉換層結構設計要點進行研究與分析。首先，對高層建筑轉換層結構設計發展趨勢以及主要結構形式進行一定程度上的闡述，并在此基礎之上，介紹了轉換層的設計原則。然后，從梁式轉換層結構的設計與構造、高層轉換梁的設計與構造要求、框支柱的設計與構造要求、轉換梁的截面設計方法四個角度分析了高層結構轉換層的抗震設計。希望我們的研究能夠給讀者提供參考并帶來幫助。

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