淺析帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計

（鄭州大學(xué)綜合設(shè)計研究院有限公司河南鄭州450000）

摘要：轉(zhuǎn)換層是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵因素。本文結(jié)合工程實例，簡單介紹了高層建筑轉(zhuǎn)換層的功能及主要型式，對目前使用現(xiàn)狀進行分析，提出高層建筑結(jié)構(gòu)帶轉(zhuǎn)換層設(shè)計中的問題提出相關(guān)建議。

關(guān)鍵詞：高層建筑；轉(zhuǎn)換層設(shè)計；設(shè)計原則；要點

一、工程概況。

某高層建筑總高度為79.6米，總建筑面積72051㎡，地下2層，地上25層。地下二層為停車場，兼作戰(zhàn)時人防工程。建筑工程屬于框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)類型為人工挖孔樁基礎(chǔ)。整個工程由A、B、C三棟高層塔樓住宅和商場及地下車庫組成，地下第三層為轉(zhuǎn)換層，轉(zhuǎn)換層以上為剪力墻結(jié)構(gòu)體系，轉(zhuǎn)換層以下為框架結(jié)構(gòu)體系，轉(zhuǎn)換層層高為4.2米。

二、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的功能及主要型式。

1.結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的功能。

從高層建筑結(jié)構(gòu)功能來看，可以將轉(zhuǎn)換層實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換分為三類：

（1）建筑結(jié)構(gòu)型式的轉(zhuǎn)換。高層建筑結(jié)構(gòu)型式的轉(zhuǎn)換被廣泛應(yīng)用到剪力墻結(jié)構(gòu)和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中。結(jié)構(gòu)型式的轉(zhuǎn)換層將上部的剪力墻轉(zhuǎn)換為下部的框架，從而給建筑下部樓層構(gòu)造了較大的內(nèi)部空間。本工程即為框架-剪力墻轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。（如圖1所示）。

（2）軸線、柱網(wǎng)的轉(zhuǎn)換。采用此種轉(zhuǎn)換層型式，無法改變轉(zhuǎn)換層上部和下部的結(jié)構(gòu)型式，但是可以通過結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，將下部空間構(gòu)建成大柱網(wǎng)，能夠滿足外框筒形成較大空間或較大入口的需要。（如圖2所示）。

（3）軸線布置和結(jié)構(gòu)型式同時轉(zhuǎn)換。采用此種型式的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，將上部樓層剪力墻改變?yōu)榭蚣埽虏繕菍拥闹W(wǎng)軸線和上部樓層軸線錯開布置，形成樓層上部和下部不對齊的結(jié)構(gòu)布置。

2.結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的主要型式。

（1）板式轉(zhuǎn)換層。在高層建筑上部和下部柱網(wǎng)軸線錯開較多時，由于難以采用梁直接承托，此時可以采用板式轉(zhuǎn)換層。板式轉(zhuǎn)換層不需要同上部結(jié)構(gòu)對齊，下部柱網(wǎng)可以靈活進行布置。板式轉(zhuǎn)換層材料用量較多，自身重量較大，一般不適宜用于抗震設(shè)防烈度超過6°以上的建筑中。

（2）梁式轉(zhuǎn)換層。梁式轉(zhuǎn)換層在高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層中應(yīng)用最為廣泛，在建筑需要縱橫同時進行轉(zhuǎn)換時，可以采用梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。梁式轉(zhuǎn)換層具有施工設(shè)計及施工較為簡單，結(jié)構(gòu)受力較為明確。（如圖3所示）

（3）箱形轉(zhuǎn)換層。在高層建筑的上部及下部樓板上作為上翼緣和下翼緣，在中間設(shè)置雙向或單向的豎隔板形成箱形轉(zhuǎn)換層。箱形轉(zhuǎn)換層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)用較少，通常在鐵路工程中出現(xiàn)。

（4）桁架式轉(zhuǎn)換層。高層建筑采用桁架式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計，其施工及構(gòu)造相對復(fù)雜，轉(zhuǎn)換層的傳力明確。

（5）其他型式。如斜柱式轉(zhuǎn)換層及拱式轉(zhuǎn)換層，應(yīng)用較少。

三、高層建筑轉(zhuǎn)換層設(shè)計的種類與設(shè)計原則

1、高層建筑轉(zhuǎn)換層設(shè)計的種類。

高層建筑轉(zhuǎn)換層設(shè)計一般包含結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層設(shè)計和功能轉(zhuǎn)換層設(shè)計。高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層設(shè)計是對不同結(jié)構(gòu)間的轉(zhuǎn)換設(shè)計，需要對構(gòu)件進行轉(zhuǎn)換，需要將上部砌體墻多承載的內(nèi)力轉(zhuǎn)嫁到下部的框架支柱上。高層建筑功能轉(zhuǎn)換層是在高層建筑的中間位置增加設(shè)備層例如，高層建筑由于高度太高，對高層樓層供水供電增加了困難，此時在樓層的中間位置設(shè)置放置電負荷重新分配、水系統(tǒng)重新減壓吃力的設(shè)備空間，高層建筑設(shè)計時，單獨設(shè)計一層樓層作為功能轉(zhuǎn)換層。一般情況下，功能轉(zhuǎn)換層的樓層高度控制在2.2米以下。

2、高層建筑轉(zhuǎn)換層設(shè)計的基本原則。

高層建筑轉(zhuǎn)換層起到承上啟下的功能，屬于建筑結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵構(gòu)建。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，在30層以下的建筑中，轉(zhuǎn)換層的造價占據(jù)建筑總體造價的6%以上，部分高層建筑轉(zhuǎn)換層造價甚至達到整個建筑造價的20%。由此可見，高層建筑轉(zhuǎn)換層是設(shè)計對建筑工程具有非常重要的經(jīng)濟效益。科學(xué)合理的轉(zhuǎn)換層設(shè)計不僅可以避免資源浪費，同時可以有效防止產(chǎn)生安全隱患。為避免高層建筑豎向結(jié)構(gòu)發(fā)生剛度突變，導(dǎo)致建筑抗震性能降低，在設(shè)計結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層時，要遵循以下基本原則：

（1）最大程度減少結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的豎向構(gòu)件。在高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計時，多采用直接接地的豎向構(gòu)件，盡量少采用需要進行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的豎向構(gòu)件，可以減少需要轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)，避免建筑剛度突然變小，有利于提高高層建筑的抗震性能。

（2）轉(zhuǎn)換層設(shè)計位置不宜過高，要盡量靠近底層。高層建筑轉(zhuǎn)換層位置較高時，建筑框支剪力墻結(jié)構(gòu)位于轉(zhuǎn)換層的附件，其傳力途徑、內(nèi)力及剛度發(fā)生突變，容易在高層建筑中形成薄弱層，不利于高層建筑的抗震。

（3）高層建筑轉(zhuǎn)換層需要有明確的傳力路徑。

高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計時，為了保證施工量以及便于進行結(jié)構(gòu)分析設(shè)計，要確保轉(zhuǎn)換層具有足夠的剛度。轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要確保轉(zhuǎn)換層及下部構(gòu)件的內(nèi)力要合理分配，為確保轉(zhuǎn)換梁和剪力墻柱具有較好的受力性能，可以梁的高度控制在跨度的1/6內(nèi)，確保上層和下層的剛度比盡量接近1。高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)需要起到較強的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換作用，要有利于結(jié)構(gòu)的整體受力平衡。

（4）嚴控落地剪力墻和框支剪力墻的比例。高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要綜合考慮抗震及剪力墻設(shè)計，要確保橫向落地剪力墻數(shù)目和橫向墻的總數(shù)比超過50%。

（5）高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計要盡量確保轉(zhuǎn)換層上部柱子及剪力墻分布對稱，同時要確保梁上的立柱盡量設(shè)置在轉(zhuǎn)換梁跨中。通過采用此種結(jié)構(gòu)型式，避免轉(zhuǎn)換梁變形時，立柱柱腳產(chǎn)生大轉(zhuǎn)角，避免立柱柱腳發(fā)生變形。

四、帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)建議。

高層建筑帶轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計需要融合建筑標準并進行有效捕捉，要合理把握建筑設(shè)計及控制的準確度，提高實施計劃的可能性。要重視高層建筑結(jié)構(gòu)整體建設(shè)方案，立足原有設(shè)計進行改革創(chuàng)新，利用各專業(yè)的配合，實施新型技術(shù)規(guī)范，提高高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計水平。

1、合理分布高層建筑的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。

高層建筑設(shè)計時，需要考慮許多因素。選擇結(jié)構(gòu)框架的轉(zhuǎn)換層時，需要利用桁架、空腹桁架、箱形結(jié)構(gòu)、斜撐、厚板、梁等重要構(gòu)件作為支撐，

高層建筑設(shè)計中考慮的因素相當之多，結(jié)構(gòu)框架的轉(zhuǎn)換層的選擇也是很有講究的，高層建筑主要包含的關(guān)鍵因素有梁、桁架、箱形結(jié)構(gòu)、空腹桁架、厚板、斜撐等重要的構(gòu)件做支撐，根據(jù)高層建筑的實際情況來進行合理設(shè)計。利用結(jié)構(gòu)分析軟件，計算簡圖，分析同軟件力學(xué)模型和計算模型是否一致。高層建筑進行結(jié)構(gòu)分析時，要注意轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)變形、垂直位置和上下層剪切剛度比對建筑結(jié)構(gòu)的影響。

2、合理控制高層建筑落地剪力墻的間距。

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，忽略對轉(zhuǎn)換層設(shè)計的重視，對商住高層建筑沒有積極效果。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，在塔樓的轉(zhuǎn)換層部位設(shè)置裙房，同時加大板截面的尺碼，加強高層建筑的梁柱，避免地震給高層建筑造成嚴重傷害。高層建筑設(shè)計時，要將建筑自身抵御自然災(zāi)害的能力作為關(guān)鍵考慮因素。高層建筑在面臨地震震感較強時，就需要轉(zhuǎn)換層具有足夠的抵御能力。

五、結(jié)束語

帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計涉及內(nèi)容非常廣泛、非常復(fù)雜，是多種學(xué)科的綜合應(yīng)用。在高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要結(jié)合建筑的實際特點，綜合考慮結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的各種受力因素，遵循設(shè)計基本原則，設(shè)計科學(xué)合理的施工方案，確保設(shè)計的科學(xué)性、合理性。