高層建筑結構轉換層的結構設計

核工業第五研究設計院 河南鄭州 450000

摘要：高層建筑的結構轉換層是高層建筑中較為常見的建筑結構，由于轉換層結構的特殊功用，導致其結構設計較為復雜。本文對高層建筑結構轉換層的結構設計進行簡單分析。

關鍵詞：高層建筑；結構設計；結構轉換層；轉換層結構設計

一.引言

隨著我國經濟的快速發展，城市建設和發展速度越來越快，高層建筑也逐漸成為城市發展中的主要建筑形式。為滿足建筑功能的多樣性，結構轉換層成為高層建筑結構中的重要組成部分。由于轉換層的豎向構件的不連續性，導致結構設計難度加大，必須要結合工程實際情況，綜合考量，保障結構轉換層結構設計的科學性。

二、轉換層的功能

建筑結構設計中的轉換層主要起到承上啟下的功能作用，其設計對建筑工程具有相當重要的經濟意義與功能意義。根據建筑各層布局，轉換層主要實現以下幾方面作用：

1、上、下層結構類型轉換

轉換層將上部剪力墻轉換為下部的框架，此結構多用于框—剪和剪力墻結構中，如此便可使得下部結構具有較大的內部自由空間。

2、上、下層結構柱網布置的改變

轉換層上、下結構形式相同，通過它可以使下部結構的柱距擴大，形成大柱網空間。多用于商住樓，以形成下部的大空間用于商場、停車場等。

3、同時轉換上、下層結構類型和柱網布置

上部剪力墻結構通過轉換層變成框支剪力墻結構的同時，上部剪力墻的軸線與下部柱網錯開，形成上下柱網不對齊的結構。多用于辦公樓，上部用于小開間辦公室，下部用于停車場或者大廳等。三、高層建筑結構轉換層的結構形式目前，工程中常見的轉換層的結構形式主要有梁式轉換、厚板轉換、箱型轉換、桁架轉換。

1.梁式轉換

一般用在上、下層柱網和軸網布置較為規則的底部大空間結構體系中，當需求縱橫向同時轉換時可選用雙向梁或主次梁的布置方法。梁式轉換層受力清晰、布局簡單、施工便利，因此被廣泛應用，是當前在帶轉層的高層建筑工程中最常用的一種轉換層構造形式。但由于轉換梁截面尺寸大、自重大，建筑空間不能被充分利用，且容易引起轉換層上、下層構造的剛度突變，對抗震不利，因此采用型鋼混凝土梁式轉換、預應力混凝土梁式轉換及加腋梁式轉換。

2.板式轉換

一般用在上、下層結構柱網或軸線錯開較多時的情況，因為在這種情形下難以用梁直接承托上部結構，所以需要做成厚板，通過厚板來承受結構上部的荷載并傳遞給下部。由于上部荷載較大因而所需要的轉換板厚度也較大，大厚板必然導致大自重、大剛度，而這兩點對于結構抗震十分不利，再加上厚板轉換層的理論研究和設計依據尚不太成熟，因而其應用也就受到一定限制。

3.箱型轉換

一般用在鐵路工程中，在房屋結構中的應用較少。箱型轉換層利用單、雙向托梁和上下層樓板的共同作用來完成上部結構荷載到下部結構的傳遞。其平面內的剛度遠遠大于實腹梁，但其自重卻遠遠小于厚板轉換層，這將有利于改善帶轉換層的高層建筑結構的抗震性能。

4.桁架式轉換

由多榀桁架共同承受上部結構的荷載，其高度多為一個層高，上弦桿設在上層樓板內，下弦桿設下層樓板內。桁架轉換層受力明確、自重小、抗震性能好，但是轉換的桿件節點受力狀態復雜、設計難度大、施工較復雜，因而其實際應用受到限制。

三、建筑結構設計中的轉換層設計原則

轉換層進行科學合理設計不僅能避免建筑資源的浪費還能杜絕一定的建筑結構安全隱患，其在設計過程中應遵循以下設計原則：

1、與建筑專業相配合

為了滿足建筑的需要，高層建筑轉換層結構形式的選擇必須與建筑相互配合。轉換層的結構形式通常會選擇一些能和建筑物的外觀相適應的結構形式，轉換層結構形式不但要具備很好的外觀，同時在性能上也要能夠滿足建筑正常使用的需要。轉換層結構一定要可以有效的幫助建筑實現其功能，在實際的施工中，很多工程都將設備層當做是轉換層，這個時候，轉換層當中就必須要有足夠的空間給設備管道，讓其可以在轉換層中通過，如果洞口的尺寸已經超出了一個相對比較合理的范圍，就應該采用空腹或者是實腹桁架來實現轉換層的功能。2、在轉換層設計過程中應盡量減少結構轉換的豎向構件，應盡可能的多采用直接接地的構件，其能有效避免建筑剛度的減小，對建筑物抗震性能的提升有著重要的作用。

3、轉換層的設計位置不能偏高，應盡可能的靠近底層位置。主要是由于建筑框支剪力墻結構的傳力途徑以及剛度發生變化時會直接造成轉換層成為薄弱層，很大程度上降低了建筑物的抗震性能。

4、在進行轉換層的設計時應注意傳力路徑的明確性，并且確保轉換層的剛度。由于轉換層結構本身起到的是結構轉換作用，所以應保持其自身的受力平衡性。

5、要對剪力墻以及框支剪力墻的比例進行綜合考慮，保證其橫向落地剪力墻的數目超過橫向墻的50%。

6、在進行轉換層設計時應保持其上部柱子和剪力墻的對稱分布，將梁上立柱設置在轉換梁跨中，從而避免轉換梁變形作用下產生的框支柱柱角變形加大。

四、梁式轉換層結構設計

梁式轉換層結構在實際工程中應用最為廣泛。大量的統計數據表明，有超越一半的轉換結構選用梁式轉換層。

梁式轉換層結構是以剪力墻到轉換梁，再到轉換柱為力的傳導途徑，由于這種傳力途徑的表現形式直接、明確，計算、分析和設計都比較方便，而且施工也比較簡單。但是，如果建筑物的上下軸線的位置布置錯位，在結構設計中就需要增加轉換梁的數量，導致建筑物的空間受力情況變得更加復雜，不利于建筑施工。

轉換梁的受力情況主要受到傳力的剪力墻的剛度、轉換梁自身的剛度以及支撐轉換梁的轉換柱的剛度影響。因此，為了明確梁式轉換層的受力機理，相關研究人員以轉換梁所承托的層數對轉換梁受力的影響為例，應用了有限元程序對其進行了分析。分析結果表示，當轉換梁的跨度不大于十二米時，轉換梁承托的層數標準為三層，但是以承托層數為四層或者是五層進行計算時，偏差也沒有超過5%，在可承受范圍之內。因此，在對承托層數為三到五層的梁式轉換層結構進行設計時，就可以直接以三層為標準進行計算。導致這種情況出現的原因主要有兩點：其一，是因為轉換梁正好處于結構整體彎曲的受拉區，應力積分后在轉換大梁中就會出現軸向拉力；其二，是因為剪力墻體豎向力作用于轉換梁時，傳力方式就會由豎向傳遞變成了拱式傳遞，力量不會直接作用在轉換梁上，從而導致轉換梁中間位置出現拉力，支座出現軸向壓力。

五、設計中應注意的幾點問題

1、轉換層設置高度不宜過高

轉換層高度越高，使得轉換層對下部結構的動力特性影響越明顯，同時傳力路線的突變越大，使得下部結構更容易破壞；轉換層高度低的建筑，只需控制側向剛度比即可控制轉換層附近的層間位移角；對于轉換層高度更高的建筑，還須控制轉換層上下部結構的等效剛度比。轉換層高度越高，轉換層上下部結構在地震作用下的變形效應就越大，轉換層上下部結構等效側向剛度比的作用也就越小。

2、柱宜直接落在轉換層主結構上

根據《建筑抗震設計規范》中第 E.2.2條規定：轉換層上部的豎向抗側力構件（墻、柱）宜直接落在轉換層的主結構上。即上部密柱宜與轉換桁架斜腹桿的交點、空腹桁架的豎腹桿在位置上重合。這樣使得結構的傳力路線明確，受力合理，且相鄰斜腹桿可形成拱效應，與豎腹桿共同承受豎向力，同時有利于提高結構抵抗地震豎向作用的能力。

六、結束語

高層建筑結構轉換層結構設計是非常復雜的系統工程，在進行結構設計時，必須要從力學角度展開分析，結合高層建筑功能，采用合理的轉換層結構形式，保障建筑結構整體穩定性。

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