高層建筑轉換層結構設計的探討

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遼寧德龍工程設計咨詢有限責任公司 遼寧 123000

摘要：根據建筑平面及功能要求合理結構布置，正確選擇建筑抗震類別是轉換層設計的關鍵點，正確選擇各分部的抗震等級，做好高層建筑轉換層結構的控制軸壓比設計是高層建筑轉換層結構設計的關鍵。

關鍵詞：高層建筑；轉換層；結構設計；策略

現今我國建筑業一般能建造20～50 層之間的高層建筑，適應了我國城市的經濟發展和需求水平，所以在工程項目中應用最為廣泛。高層建筑對于建筑功能的要求很少使用功能單一的住宅或者賓館等，而更為多的則是地下停車場或者大型娛樂商場等。據統計表明在高層建筑中，有轉換層結構的大概占了80%。因為有轉換層的部分的梁和柱或者板的尺寸比較大，所以有嚴格的要求來確保大面積混凝土澆筑等施工、模板的支撐、鋼筋的綁扎等方面的施工。在高層建筑中恰當使用轉換層施工技術，有科學的施工方案，合理的組織施工現場，能給企業帶來巨大的經濟和社會效益。

一、轉換層概念

高層建筑結構中，為了滿足人們對房屋住所的要求，為建筑物預留更大的空間，擴大建筑物網柱，減少墻體；而在高層建筑結構上層，要開設小的空間，就需要多層墻體來實現。然而，在結構設計過程中會因豎向桿件無法貫通接地，使得無法滿足高層建筑結構額整體效果和功能，所以采取水平轉換結構來與下部豎向桿件進行連接，能夠有效的滿足高層建筑結構設計在不同功能上的需求。這種形式的建筑結構稱為高層建筑轉換層結構。

二、高層建筑結構轉換層的特點

高層建筑結構的轉換結構的組件在高層建筑物中間，對于外力荷載起到了承上啟下的過渡作用，即承載上層建筑到來重力荷載，對下層建筑的懸掛構建荷載也需要起到依靠作用，也因此該特殊作用，其也呈現出多種特點，具體總結有以下幾點：

1、內力大。因其一方面要承受了來自上層的重力，另一方面要承載下層建筑的懸掛力，對其內力的要求很高；

2、跨度大。轉換構件的跨度一般是上層結構的幾倍，因此，垂直撓度的要求相當高；

3、構件截面大。面積加強轉換構件的剛度和強度時，根據剛度及強度的計算公式進行調整，較為有效手段是增加構件截面面積，因此，就夠構件的截面面積較大；高層建筑轉換層的設置，造成了建筑物垂直向的剛度的規則性較差，各項外力的傳遞路線有所變動，不能使用一般方法進行計算，在分析及設計轉換層的結構是，不能使用常規方法，其設計顯得較為特殊。

三、高層建筑轉換層結構設計的策略

1、轉換層的結構布置設計

帶轉換層結構的結構布置除應符合《建筑抗震設計規范》《高規》等對于建筑結構的平面及豎向布置的規定外，還應滿足以下規定：

（1）不應對邊榀剪力墻進行框支轉換；不應在結構底部抽取角柱，形成托柱轉換，不應在角部剪力墻的底部開設轉角大洞形成框支轉換。

（2）純框架結構抗側剛度小，地震力作用下側向變形大，下部為大空間且帶轉換層框架下柔上剛在地震力作用下非常容易破壞，所以必須設置落地剪力墻來提高建筑物抗震性能。落地剪力墻和框支柱應符合下列條件：

A、落地剪力墻應對稱、成對布置，優先采用型鋼混凝土剪力墻，相對普通混凝土剪力墻，型鋼混凝土剪力墻抗震性能好，耗能系數高，減少了截面面積，提高了承載力，能有效降低層最大剪力、最大位移和層間位移角。

B、框支柱可以選用型鋼混凝土柱、鋼管混凝土柱、柱內部設置芯柱的鋼筋混凝土柱，這些柱能有效降低軸壓比，具有承載力大，延性好的優點

C、轉換層周圍樓板不應錯層布置，不應在大空間范圍內開大洞口。樓梯間、電梯間處周圍的落地剪力墻應圍成筒體。

（3）轉換層上下結構剛度的突變對建筑物抗震非常不利，結構設計時首先應該增強轉換層下部結構的抗側剛度，同時減小轉換層上部的抗側剛度，最終要使轉換層上下結構剛度相差不大。抗震設計時，結構的地震作用效應不僅與剛度有關，還與其質量有關。結構的動力性能取決于結構質量、阻尼和剛度。在轉換層結構中，轉換層一般集中較大的質量，其質量對下部結構的動力特性影響較大，但對上部結構的動力特性影響較小，結構設計中采用的等效抗側剛度比意義就不大了。轉換層位置越高，轉換層上下部結構在地震作用下的變形效應越大，轉換層上下部結構等效側向剛度比的作用更加有限。

綜上所述，根據地震作用效應來控制比較合理。因此建議采用轉換層下、上層結構層間位移角比來控制轉換層下上部結構構件內力和位移突變。轉換層上下結構層間位移角比能準確反映轉換層上下部結構樓層側向剛度比、質量比、樓層層間抗側力結構的受剪承載力比，對抗震設計有重要的意義。

2、高層結構轉換層的抗震設計

（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。

（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。

（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）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。

3、高層建筑轉換層結構的控制軸壓比設計

高層建筑中轉換層還要注意軸壓的比率，盡量控制這個比率，我們知道，轉換層的支梁和支柱在內交角的位置，有一個突出的應力表現情況，由于深受水平負載以及垂直負載的雙重影響，柱子的橫截面，柱子的剪力，以及柱子的彎矩在相對條件下較小，所以軸壓力的承受力主要受框支柱所支撐，轉換層以上的墻體垂直負載和水平負載差不多都能借助板平面內的剛度傳遞給落地剪力墻，因此要嚴格控制框支柱的軸壓比。例如，在一高層建筑實處，設計的方案是這樣的：抗震設計時框支柱的軸壓比小于0.6，砼的強度等級高于C20，但低于C30，采用螺旋箍圍繞框支柱全高密度較小，箍筋直徑要不足10，間距不足100rnm，這個設計方案，在真正實行的過程中限制了柱箍筋配箍率，減弱了轉換層柱的抗剪能力。因此要切合實際的對高層建筑進行科學的檢測，確保萬無一失。

四、轉換層高層建筑結構的設計時注意事項

高層建筑本來的施工難度系數就比較高，而轉換層的施工技術在其基礎上又上升了一個難度系數，同時目前我國的帶轉換層高層建筑的施工經驗又比較有限，所以在實際的施工中難免會存在一些問題，趨利避害才能實現長久發展，下面重點分析一些設計注意事項，以給同仁參考：

1、在對帶有轉換層的建筑進行設計時其轉換層下部的結構不能設計為柔軟層，否則容易造成建筑坍塌事故。

2、在設計時應該注意要把轉換層的上部結構設計成為抗側剛度接近于下部的抗側剛度，剛度系數必須保證循序漸進的變化。

3、我們知道底部轉換層的高度和其剛度是有關聯的，所以施工時，需要合理的控制轉換層的高度，同時也需要滿足建筑需要的基本剛度，提高建筑的穩固性。

4、帶轉換層的高層建筑施工有其既定的施工標準，建設施工時不得出現違規現象。

綜上所述，帶轉換層的高層建筑是未來房地產事業的一個總體趨勢，實現帶轉換層高層建筑的結構設計綜合性分析，能夠有效的避免在設計中留下重大的安全隱患，這不僅是對廣大人民群眾的負責，同時也是我國設計單位提高自身能力的一個必經之路。未來，隨著帶轉換層高層建筑規模的擴大，在不斷的經驗積累基礎上，我國的相關技術和設計理念還會得到完善。

參考文獻：

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[2]林紅雨.淺析高層建筑梁式轉換層結構的抗震設計--以某高層住宅建筑為例[J]，建筑知識：學術刊.2012，（02）：79-79.

[3]徐志杰.淺議高層建筑轉換層結構的設計[J].山西建筑，2011（17）.

[4]曾凡柏.探討高層建筑轉換層結構設計中存在的問題[J].中華民居，2011（11）.

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抗側剛度通常都會很大，為了能夠充分的利用剪力墻，并將此結構的重力減輕，剪力墻的布置最好寬松點，應該使得其結構有著適當的側向寬度。

2.樓層的最大層間和層高之比

相關規定，于計算多地震作用中的樓層最大層間的位移時，需以樓層間彎曲變形為主，將扭轉變形計入，可以不除去結構整體的完全變形。所以，對于高層建筑而言，應該盡可能的將扭轉變形降小，不過又不可以僅僅只是依照此層間唯一不夠而胡亂的增加豎向構件中的剛度。不過，在實際結構的設計中，有些設計者看到某個方向的層間其位移不能滿足規范的要求，就連續的增加此項側向剛度，不過需要注意，架構的剪重比假若與規范限制較為接近則可以，假若減重太大，則不能將另一側的結構設計剛度減小。

3.樓層間最小的剪力系數其調整原則

在滿足短肢剪力墻所承受的第一振類底部地震傾覆力彎矩占到結構總底部的地震傾覆力彎矩不能超出 2/5 的前提下，應該要盡量將剪力墻的布置減少，且以大開間的剪力墻布置方式為目標，以使其結構有著適合的側向剛度使得樓層最小的剪力系數大于規范限度，此做法可以減小結構自重，并且合理的減輕了地震作用的輸入，最終能夠降低工程建設的成本。

4.剪力墻連梁朝鮮的調整原則

在剪力墻中，連梁的跨高比通常要大于等于2.5為宜，連梁的跨高比如果小于2.5，就非常容易出現剪力與彎矩超出規范的限值，相關制度規定，跨高比大于等于5的連梁適合按照框架梁實施設計。換句話說就是跨高比大于等于 5 的連梁的剛度不應該折減。如果跨高比在 5～6 之間時，假如連梁的剛度還是不折減，那么就很容易出現剪力或者彎矩超限。

六、結語

現如今，國家對于建筑結構的法律規定越來越規范，對于建筑結構中的剪力墻結構設計的應用也做出了相適應的規范。所以，我們在進行高層建筑的結構設計工作時，應當明確結構設計的相關概念，然后根據規范進行設計，從而使建筑結構的設計工作不斷優化。

參考文獻：

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[2]賀海洋 剪力墻結構設計在建筑結構設計中的應用[J]《建材與裝飾》 -2012年21期-

[3]胡金焱 淺談剪力墻結構設計在建筑結構設計中的應用[J]《科技創新與應用 》 -2013年31期-

[4]張小康 剪力墻結構設計在建筑結構設計中的應用[J]《城市建設理論研究（電子版）》 -2013年9期-

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地區或是東西向窗口。其弱點是與通風阻擋和對視線非常嚴重，一般不能用于固定式建筑構件，對一些方便拆卸和活動建筑構件的遮陽效果較好。

（三）幕墻密封系統設計

分為干式密封和濕式密封兩個分類。

1.干式密封主要采用膠條，應用在單元式幕墻、小單元式幕墻上。主要成分是三元乙丙，一般30% 左右，隨氣候條件變化而調整其含量、配方。1m2 幕墻所用的密封膠不多，一支300mL 膠能夠滿足膠縫0.8cm。通常計算膠用量，就應先求出總膠縫長度，乘以寬度就等于平方數，最后計算出膠的用量。現場施工設計也不需要太精準的計算用量，只要滿足現場施工需要，控制進場膠量即可。

2.濕式密封主要采用硅酮耐候密封膠，組角膠、帶膠打釘，主要應用在框架式幕墻及單元式幕墻的工廠加工組裝階段。硅酮耐候膠具有耐污染、耐紫外線照射、耐候性、耐水性等特征，主要是用于幕墻材料之間，通過密封嵌縫來保證材料道德氣密性。硅酮耐候膠在高溫時不流淌，在低溫時的彈性也比較好，因此是一種性能較好的密封材料。

3.細生產施工

在幕墻設計和施工過程中，應重視施工質量，主要著眼點放在玻璃的質量控制、組裝的質量控制、安裝的質量控制三個方面，減少縫隙，貫徹設計意圖，確保實際k 值相比理論k值不打折。在玻璃的質量控制方面，應選擇質量合格的玻璃材料，在主體結構、預埋件施工、隱框架結構施工方面應特別注意。

在組裝的質量控制方面，應檢查各組成構件的質量，清除焊接接頭的顆粒和灰塵。在安裝的質量控制方面，其步驟如下：基層處理→校核施工放線→檢查骨架安裝的質量→調整幕墻骨架的方向→密封。

三、結束語

隨著現代建筑的發展，人們對建筑物的性能要求越來越高。為了緩解能源危機，建筑節能勢在必行。在現代幕墻設計中，節能理念的應用，能大大減少建筑行業的能源消耗，還能促進現代建筑的健康發展。但也應認識到，幕墻設計中節能理念的應用應從安全性、經濟性、適用性、科學性出發，選擇合適的節能材料、節能材料，以合適的節能構造方法，采取必要的節能輔助措施，才能取得較好的節能效果。

參考文獻：

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