試論高層建筑工程的轉換層結構設計

【摘要】先進科技在建筑領域的應用為現代建筑行業的發展帶來了強大的動力，在現代建筑技術的支持下，高層建筑工程的大量建設與實施得以實現，現代高層建筑不僅在高度上較以往有了很大的增加，同時在建筑外觀及結構的復雜性上也與以往有了很大的不同，要充分保障高層建筑工程的結構受力的穩定性，保障高層建筑在建設與使用過程中的安全性，加強對轉換層設計的研究是十分必要的，本文就將對此展開探討。

【關鍵詞】高層建筑工程；轉換層；結構設計

現代城市人口增加以及城市功能的日益豐富和完善，對于城市建筑工程的建設也有著更高的需求，一方面，要求城市建筑工程要在有限的開發土地面積上，創造更多的居住、辦公、休閑等功能空間，這可以通過高層建筑工程的建設予以滿足，同時還要保障建筑工程的質量與可靠性，這就要求針對高層建筑的結構受力特性進行深入研究，并通過對轉換層機構的優化設計予以保證。

一、高層建筑工程轉換層結構的主要類型

1.梁式轉換層

梁式轉換層是現代高層建筑中應用非常廣泛的一種轉換層結構形式，尤其適用于底部大空間的框支剪力墻結構體系的高層建筑結構轉換中，此類轉換層結構形式的作用原理主要是通過將轉換層上部的剪力墻落在框支梁上，而框支梁則是通過穩定的框支柱進行支撐，從而保證整體建筑結構的穩定性，形成較為穩固的轉換結構體系，其在實際應用中的主要優勢在于設計簡單，便于施工操作，結構傳力十分明確，且施工成本較低，具有著良好的經濟性優勢，因而受到許多建筑企業的青睞。

2.箱式轉換層

箱式轉換層結構形式相對適用范圍要小于梁式轉換層，其主要應用于轉換梁截面超出一定范圍，不能夠通過一層樓板的設置來滿足其需要的剛度要求情況下的轉換層構建。為充分保證建筑結構的穩定性，箱式轉換層結構形式通常是在轉換梁的頂與底分別設置一層樓板，兩層樓板和四周圍護的墻壁結構之間形成一個箱式的空間，從而使轉換層結構的形式整體呈現為箱式結構。這種結構形式在應用中能夠有效的保障對轉換梁的較強約束力，同時轉換梁的剛度也相對較大，從上到下整體結構在傳力效果方面相對更為均勻，同時箱式結構中間所形成的空間也可以滿足建筑設備層設置的功能需求，具有著良好的應用效果。但相對的，此類轉換層結構形式在建設過程中需要在轉換梁中進行較多的開洞處理，相對施工操作的復雜性更高，其施工成本也相對較高，經濟效益一般。

3.厚板式轉換層

厚板式轉換層的應用主要是為了應對上下柱網存在較多錯位，無法實現利用梁結構直接進行承托的目的時的轉換層建設需求，主要采取的方式是將轉換層直接制作成為具有一定厚度的厚板，實現對結構受力的傳導與轉換的作用。為保證厚板式轉換層功能的良好發揮，一般需要結合柱網的實際尺寸以及對上部結構荷載的分析來對板的厚度進行合理確定，其在應用中的主要優點包括上部結構布局對下部柱網的影響小，結構布置具有很大的靈活性，厚板能夠達到較高的剛度，且對于施工工藝要求較低，施工便捷，還能夠發揮出十分良好的整體性。而該結構形式應用的主要不足體現在轉換層受力較為復雜，易造成計算分析的結果與實際情況之間的加大差異，同時由于厚板本身就有著較大的自重，其所消耗的材料也相對較多，因此經濟性較差。

二、高層建筑工程轉換層結構設計的原則

1.結構要精簡

高層建筑工程轉換層結構設計首先要求結構應較為精簡，盡可能使用較少的轉換構件，降低轉換的實際次數，尤其是在結構主體的豎向構件布置過程中，應在施工條件與建筑結構要求允許的情況下，使盡可能多的剪力墻與柱實現上下連續貫通，從而降低與轉換層結構相關的剛度突變問題的發生幾率，實現高層建筑整體結構抗震能力的有效提升。

2.傳力要直接

在高層建筑結構中，多級轉換很容易導致結構受力穩定性下降，影響高層建筑的抗震能力與整體的可靠性，因此，在轉換層結構的設計過程中還應盡可能的保證傳力的直接性，減少多級轉換對建筑結構所造成的不利影響，這也決定著如次框、支柱梁等結構形式在高層建筑工程轉換層結構中不適宜使用，應盡可能在方案設計中予以避免。

3.力學計算要準確

準確的力學計算數據是保障轉換層結構設計科學性與可靠性的重要基礎依據，因此，在高層建筑工程轉換層結構設計中還應注意保證力學計算的準確性，可通過采用兩種力學模型不同的三維空間分析軟件來計算整體的內力，并通過兩種軟件計算分析的結果對比來檢核計算的準確性，對于計算結果中存在的差異應嚴格進行分析，找出差異出現的原因，并在調整后再次進行計算，直至計算結果一致，避免對轉換層結構設計質量的影響。

三、高層建筑工程轉化層結構設計的要點

1.明確高層建筑工程結構抗震等級

在抗震等級確定時需要充分考慮多方面的因素，按照相關規范的要求對建筑結構不同部位及結構構件的抗震等級進行分別評定。根據所選擇的參考工程實際情況，由于其結構屬于框支剪力墻，其中框支框架抗震等級為二級，剪力墻底部加強部位抗震等級為三級，考慮到加強底部及保持底部一致的因素，將轉換層及其以下各層的一般框架梁和框架柱及轉換梁的抗震等級定為二級。由于工程轉換層設在建筑4層樓面即結構3層，已屬于“高位轉換”，框支柱及落地剪力墻的抗震等級應提高一級。因此，框支柱應定為一級抗震，轉換層以下落地剪力墻定為二級抗震。轉換層以上部分，框支層以上兩層仍屬剪力墻底部加強區，其中落地的那部分剪力墻由于是“高位轉換”，還要提高一級。

2.注意在結構設計中做好豎向布置

高層建筑工程轉換層結構設計的一個重點就是對豎向結構的合理布置，其目的在于保證測量剛度分布的合理性，并最大限度防止剛度突變所帶來的安全隱患。傳統概念上的高層建筑側向剛度分布一般以上小下大為宜，但轉換層的設置使高層建筑結構側向剛度分布要求也發生了一定的變化，尤其是“高位轉換”情況下，更多是要求轉換層上下結構的側向剛度分布均勻，上下結構部分的側向剛度比一般要求處于1～1.3的范圍內，以達到側向剛度比值為1最為理想。在結構的豎向布置上可以借鑒下面的幾種策略：

首先，可以采取在符合建筑工程施工原理與施工規范的基礎上，合理增加落地剪力墻的數量，或在不影響建筑結構穩定及使用功能的情況下，在底部增設部分剪力墻的方式，實現對底部剛度的增強，從而優化轉換層上下結構的側向剛度比值。

其次，可在科學分析后，對底部剪力墻進行適當的加厚處理，以增加厚度的方式來強化底部的剛度。

再次，在滿足轉換層結構施工基本需求的前提下，盡可能避免在底部剪力墻上進行開洞，或最大限度的控制開洞面積，控制其對底部剛度的削弱作用。與此同時，通過采用更高強度等級的混凝土材料進行建筑底部柱、墻的澆筑施工，以有效提高底部剛度。

最后，在滿足轉換層上部建筑結構整體受力穩定的基礎上，對轉換層上部剪力墻的數量進行合理的控制，并避免上部剪力墻過厚，在不影響剪力墻結構支撐功能的情況下，適當在長剪力墻中部進行開洞，從而有效減輕轉換層上部建筑結構的重量，并弱化上部結構的側向剛度，保證高層建筑結構的整體穩定性。

3.在設計中加強對結構平面布局的優化

在高層建筑工程轉換層結構設計過程中還應注意對結構平面布局的優化，在實際設計中，平面布局原則上應盡可能實現各個方位的對稱布局，主要方向上的質量中心與剛度中心偏差應盡可能控制在一定的范圍內，結構的偏心率越小則平面布局效果相對越理想。一般情況下，除核心筒外，其余剪力墻的布置應盡可能保證均勻、分散，并以沿周邊布置為主，從而確保轉換層結構的設置能夠達到較好的抗扭效果，保證平面布局的規則、合理，滿足工程要求。

四、高層建筑轉換層結構構件設計

1.框支柱的設計

框支柱設計的關鍵主要在于對框支柱截面延性的有效控制，一般情況下框支柱界面的尺寸設計可以根據軸壓比與剪壓比來予以確定，其中軸壓比是框支柱截面尺寸的主要控制因素，合理的軸壓比可以有效的提高框支柱的延性水平。結合工程實際，框支柱抗震等級為一級的情況下，軸壓比按照相關規范應小于或等于0.6，特殊情況下，即由于截面尺寸過大形成的“短柱”，其軸壓比也應滿足小于或等于0.55的要求。配箍率也是影響框支柱截面延性的一個重要參數，要保證框支柱有良好的截面延性，就需要合理的對其配箍率進行提高，原則上要滿足轉換層結構設置下的框支柱截面延性要求，應保證框支柱的實際配箍率大于或等于1.5%，并要確保配筋的質量充分滿足工程要求。此外，為了充分保證框支柱的設計與布置的可靠性，提高工程整體安全性，還需要嚴格按照規范進行剪力計算，且必須要充分考慮建筑建設與實際使用過程中可能出現的樓板變形情況，和剪力墻裂縫對框支柱剪力的影響，針對框支柱剪力增大的相關問題進行專門的規定與要求。

2.框支梁的設計

框支梁也是高層建筑工程中轉換層的主要構件，其截面尺寸的主要控制要素為剪壓比，為保證結構的整體穩定性，其梁寬還要求必須要大于或等于上部墻厚度的兩倍，且至少為40厘米，梁的高度設計則要求必須要大于等于實際計算跨度的1/6。框支梁作為一個重要的結構部分，其在工程中承受著十分復雜的作用力影響，承擔著結構荷載傳輸、保障框支剪力墻抗震性能的重要任務，也是關系到高層建筑構成結構安全的關鍵構件部分，在對其進行設計的過程中通常要考慮安全儲備的預留，即框支梁設計的安全性與受力性能應高于其界定抗震等級的基本要求，對于其配筋率、抗剪能力、抗扭能力等都應較規范的要求高出一定范圍，從而保留足夠的余量，設計中還應堅持“強剪弱彎”原則，以保證框支梁的有效抗震性能。

3.轉換層樓板設計

轉換層樓板在高層建筑工程轉換層設計中發揮著十分重要的作用，也是轉換層結構構件設計的一個重要部分。框支剪力墻結構以轉換層為分界，上下兩部分的內力分布規律是不同的。從樓板自身情況來看，其在轉換層結構中本身就要承受較大的平面內作用力，這也導致轉換層樓板更容易產生較大的變形，要實現對這一變形程度的有效控制，就必須要要從設計環節就對樓板剛度進行有效的加強，要達到這一目標，首先可以從轉換層樓板的施工材料優化著手，通過采用高強度等級的混凝土材料、鋼筋材料等，并適當增加樓板厚度，提高配筋率，來有效增強轉換層樓板的剛度；其次可以根據實際需要對轉換層以上的兩層及以下所有樓層的樓板進行剛度強化處理，從而保證高層建筑工程整體的穩定性要求。

五、高層建筑工程轉換層結構設計未來的發展展望

從當前我國的經濟發展形勢與城市化建設的進程來看，許多城市中對于建筑空間依然有著較高的需求，同時城市建設用地的緊張使得現代城市建筑必須要向縱向空間進行擴展，高層建筑工程在未來有著極大的發展空間，保障高層建筑工程的可靠性與穩定也就是未來建筑發展的必然要求，轉換層結構設計與施工技術的創新與發展也將成為必然的趨勢。未來高層建筑工程轉換層結構設計的發展主要有以下幾方面趨勢。首先是轉換層結構的優化，鋼骨混凝土結構將可能成為未來高層建筑工程轉換層的主要結構類型，其能夠有效提高轉換層結構的承載能力和剛度，并實現對梁截面面尺寸的有效控制。其次是對新型建筑材料的應用，新型建筑材料應具有更高的強度、耐久性、可靠性以及更好的環保性，從而有效的減少高層建筑工程施工中的材料使用量，減低結構整地自重，減少建筑施工中建筑垃圾的產生，發揮環保效益，并實現對建筑工程成本的有效控制與施工效率的有效提升。

總結：

本文首先對加強高層建筑工程轉換層結構設計的意義進行了闡述，隨后相繼對高層建筑工程轉換層結構的主要類型以及轉換層結構設計的主要原則進行了介紹，之后就高層建筑工程轉換層結構設計的要點和轉換層結構中的主要構件設計展開了探討，最后結合當前實際與我國高層建筑發展的趨勢對高層建筑工程轉換層結構設計未來的發展進行了展望，希望通過本文能夠為我國高層建筑安全建設施工水平的提高提供保障。

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