芻議高層建筑結構轉換層的結構設計

趙立彬

【摘 要】近年來，隨著我國經濟持續快速發展，人們對高層建筑功能要求趨向于多樣化、綜合化，較為常見的形式是以上部為小開間的民用住宅，下部為大開間的商場或公共娛樂場所。為滿足建筑要求，在上下不同結構體系轉換的樓層設置轉換層，轉換層建筑結構應運而生。本文主要芻議高層建筑結構轉換層的設計要點，希望為高層建筑設計方面提供借鑒。

【關鍵詞】高層建筑；結構；轉換層；設計

功能多樣化的高層建筑物，由于受到多方外部及自身荷載的影響，其應力結構十分復雜。設計時要嚴格按照相關規范的要求進行，并注重結構的設計內涵，綜合考量建筑各個層次空間的使用功能，使建筑物不僅在水平及垂直方向上具有強大的抗震能力，保障建筑物的安全性，并能完美的發揮出使用效果。

一、高層建筑轉換層結構設計的類型

在選擇轉換層結構的時候應該考慮各個建筑的風格、受力情況、外部荷載和使用功能等多個因素的影響，根據各個轉換層結構的設計方法進行綜合考量。

（一）梁式轉換層結構

梁式轉換層結構在垂直向外力傳遞的路徑有著其他轉換層結構沒有的優勢，即運用墻（柱）轉換梁柱（墻），使得外力傳遞直接，路徑清晰。這樣的傳力體系不僅施工簡單、成本較低，更便于結構內力的計算和分析。因此，梁式轉換層結構的使用非常廣范，選擇梁式轉換層的高層建筑約占轉換層建筑總量的75%。梁式轉換層包括托墻、托柱、加腋型、不加腋型、鋼結構型、鋼筋混凝土型、鋼骨混凝土型等多種類型。轉換梁的主要功能是承受垂直向的外力，其設計方法應考慮其應力大小、剛度、強度以及轉換層形式等多個因素，具體分析在外力作用下的受力規律。針對各方受力情況可使用有限元分析程序進行逐一精確的分析和計算。

（二）桁架式轉換結構

對比梁式轉換層，當其承重結構是由榀量相對的較多的鋼筋混凝土桁架所組成時，即為桁架式轉換結構。在轉換層的上層及下層樓的結構層內分別設置上弦桿和下弦桿，并于層間設置腹桿。與梁式轉換結構相比，這種結構具有很多優點。桁架的高度較大，下弦桿的截面面積較小，因而占用的空間十分有限。除此以外，結構整體性高，受力路徑清晰，結構內力的計算和分析更簡易。與箱式結構相比，自重小，不僅能作為設備層還能用作其他用途；外力的承載力高，管道的維護和安裝簡單方便。桁架的設計原則“強斜腹桿，強節點”，但影響節點荷載狀況的因素眾多，因而設計有一定的難度。當樓層的高度較小時，斜壓的腹桿容易成為超短柱，在地震來時極易成為薄弱的節點，破壞的可能性加大。

（三）厚板厚梁式轉換結構

當建筑物上下層的柱網分布不均勻，而軸線分錯較為復雜時，托梁直接承托已經沒有辦法達到效果。這時，應該做成厚度較大的托承板，即為所說的厚板厚梁式轉換結構。為了達到預期的效果，這種結構的托板厚度相對較大。這種結構有效地解決了上下層柱網的不對稱性。但是這種結構的傳力體系不清晰，使得結構在進行內力計算和分析時都有困難。還有因為采用厚板厚梁，所以在柱墻或各個連接部分都有配有一定量的鋼筋，應設置暗梁，因此，材料消耗較多。還有轉換板由于自身重量大，對于該轉換層縱向構件的承載力要求很高，轉換板剛度和質量均很大，地震來時會承擔很大的地震作用，而且垂直剛度也會因此受到影響。

二、高層建筑轉換層的結構布置

轉換結構可以根據其建筑功能和結構傳力的需要，沿高層建筑高度方向一處或多處靈活布置（或是樓層局部布置轉換層），且自身的這個空間既可以作為正常使用樓層，也可以作為技術設備層，但應該保證轉換層有足夠的剛度，以防止沿豎向剛度過于懸殊。當建筑物較高柔（如框架-核心筒結構），整體剛度可能不足，在結構豎向的一定部位設置水平剛性樓層（加強層），人為地加強結構的整體彎曲效應，這時轉換層可同建筑物的加強層、設備層等統一考慮。對大底層上部為多塔的建筑，塔樓的轉換層宜設置在裙樓的屋面層，并加大屋面梁、板尺寸和厚度，以避免中間出現剛度特別小的樓層，減小震害。對部分框支剪力墻高層建筑結構，其轉換層的位置，7度區不宜超過第5層；8度區不宜超過第三層。

三、高層建筑轉換層的抗震設計

高層建筑要考慮的層面不是簡單的舒適度這樣的問題了，還要考慮抵御自然災害的能力，因此在高層建筑的實際中已把抗震列為首要追蹤的關鍵性問題。在高層建筑的轉換層設計上就要加強抵御震力的能力，對轉換層的上下層次要做重新的設計，盡可能的把上下的豎向構架進行重新的分配，對樓板也要進行剪力的重新構造，減弱平面內的受力狀況，加強地震剪力的安置，這是至關重要的，不可忽視。

對帶轉換層的剪力墻結構及帶轉換層筒體結構這兩類轉換結構，通過轉換層上下層間位移角及內力變化情況的分析，可得出影響其抗震性能的主要因素，分別是：轉換層設置高度、轉換層上部與下部結構等效剛度比、轉換層結構與其上層結構側向剛度比。對帶轉換層筒體結構其主要影響因素表現為轉換層上部外筒的剛度、轉換層設置高度和內筒剛度對轉換層位置較高的帶轉換層的剪力墻結構僅僅控制轉換層上、下樓層的側向剛度比是不夠的，還應控制轉換層上部與下部結構等效剛度比，轉換層上部與下部結構的等效剛度比越大，轉換層上下層間位移角及內力突變情況越明顯，設計時應當加以控制，使其盡量接近于1，且不大于1.3。帶轉換層的筒體結構，如轉換層上部的外筒為框架，一般情況下不會發生剛度突變，但建立傳力途徑的變化仍然存在。

四、高層建筑轉換層的軸壓比控制

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，問距不足100mm，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。

五、結語

總之，任何事物的都要根據具體的實際的問題出發，根據客觀存在的條件，根據高層建筑中的實際問題，依據不同的特點和特征，尊重自然的情況下，設計出最佳方案。另外，在設計上不要循規蹈矩，打破以往的設計因素，確保方案設計的全面性、科學性，減少高層建筑施工中的風險和難度。

參考文獻：

[1]曲巖巖.高層建筑梁式轉換層結構設計分析[j].科技創新導報，2008（8）.

[2]陳加余，謝加虎，熊智剛.高層建筑轉換層的特點及研究現狀[j].山西建筑，2009（14）.