淺析高層建筑轉換層結構設計

米日阿依·熱合曼

摘要：在我國城市化進程不斷加快的同時，建筑行業也得到了快速的發展，不少的新型施工技術將用于建筑施工中。轉換層在建筑功能上主要變現為可以提供較大的室內空間；為建筑物提供了大的入口；對高層建筑中不同功能、不同用途的樓層進行分割。所以，結構轉換層的設計就相對較為復雜。本文主要對高層建筑的結構轉換層設計進行簡要的分析概述。

關鍵詞：高層建筑；轉換層；結構設計

前言

現代高層建筑正向體型復雜、功能多樣、造型新穎的方向發展。同一棟高層建筑。沿高度方向功能發生變化，使得不同用途的樓層采用不同的結構形式才能滿足建筑的功能要求，這就涉及到結構轉換層的設計，對其不同功能的樓層連接處進行處理，以確保整個建筑結構的質量安全。然而高層建筑的結構轉換層設計是一項較為復雜的工程。根據力學來分析，高層建筑轉換層的上下層內力較為集中，且地震力集中，設計時就相對困難。在設計施工前，必須要對其進行詳細的分析，確定方案無誤便可進行施工，這也是復雜高層建筑設計的關鍵問題。

一、轉換層定義及設計的原則

1.轉換層的定義

一般情況下，高層建筑下部結構受力較大，而上部的結構受力相對偏小，為確保建筑整體的安全性能，必須保障高層建筑的下部結構充分牢靠。所以，往往其下部的結構布置要求剛度大、柱網密、墻體多，越往上層建造，所需柱、墻的數量均相應減少。使得整個建筑物出現上部活動空間遠遠大于下部，這樣結構的正常布置與建筑功能對空間的要求正好相反。因此為滿足建筑功能的需求，必須突破常規設計，在發生結構轉換的樓層設置合理的水平轉換構件，進而在確保建筑安全的基礎上使整個建筑滿足使用功能。

2.轉換層設計的原則

在建筑物中設置轉換層將造成建筑的豎向剛度發生突變，大大的降低建筑結構抗震能力，為有效的防止該情況的發生，必須遵循以下設計原則：在設置轉換層過程中，盡可能減少轉換構件，直接落地式的豎向構件越多，結構轉換的豎向構件就會越少，能夠減小剛度突變，有利于結構的抗震能力；轉換層結構應設置在高層建筑豎向的較低位置，遵循宜低不宜高的原則；對轉換層結構進行優化，保證所選換層結構的型式有確切的傳力路徑，以利于結構的分析設計，并且確保施工的質量；轉換的剛度不宜過大，在兼顧建筑物安全及經濟的條件下，堅持宜小不宜大的原則。

二、高層建筑轉換層的結構形式及特點

1.粱式轉換結構

粱式轉換是高層建筑中實現垂直轉換最常用的結構形式，主要是由上部剪力墻經轉換梁傳力給下部柱，完成整個建筑物的使用功能。該類轉換方式傳力途徑直接、明確，構造簡單，施工較方便有，利于工程的計算、分析，還大大的降低了成本，因此，得到了建筑行業的廣大推廣運用。

2.箱型轉換結構

在轉換梁的截面較大時，可以在轉換梁的梁頂與梁底同時設置一層樓板，遍布全層，使得整個樓層都構成“箱子”的形式，由此被稱之為“箱型轉換層”。箱型轉換結構也是高層建筑設計中比較常用地一種結構形式。優點是轉換梁的約束強，剛度大，整體效果好，上下部受力較均勻。缺點是它直接占用了整個樓層的面積，使得這個樓層不能再有其他用途，只能當做設備層使用。自重大，造價高，施工復雜。

3.板式轉換結構

板式轉換層主要是應用在轉換層上下柱網錯位較多、布置沒有次序的情況下，需要將轉換層設置厚板，通過厚板來傳遞豎向荷載和水平荷載下力的傳遞。優點是：上下層豎向構件可靈活布置，無需上下對齊，因此滿足了建筑的功能要求。也避免了豎向構件與轉換層相交處復雜的節點構造。缺點是傳力方式不直接、受力復雜、抗震性能差。自重較大，所消耗的材料較多，施工復雜。

4.桁架轉換結構

桁架主要包括空腹桁架、實腹桁架。優點是：與梁式轉換層相比較，該轉換層質量和剛度都相對較小，分布均勻，故結構整體剛度的質量和剛度突變程度要小，使結構有較好的抗震性能。缺點是：桁架各桿件均為小偏心受力，延性較差。節點受力復雜，延性較差，因此轉換桁架的延性和耗能能力較差。由于節點受力錯綜復雜，發生剪切脆性破壞的情況較多，引起計算配筋多，給施工帶來一定的難度。因此，其應用受到一定的限制。

5.斜柱轉換結構

當上下層軸線不對齊，柱子有錯位時可以用斜柱將上層柱的荷載直接傳給下柱。優點是：豎向荷載傳力途經直接、明確，受力合理，將上部荷載直接傳給下部承重構件，而不需要先傳給梁，梁再傳給下部柱因此減輕了梁所受的剪力負擔，使梁的減壓比大幅減小。轉換層上、下樓層剛度比變化幅度小，所以在水平地震力作用下，可以避免結構層間剪力和構件內力發生突變，有利于結構抗震。自重輕，設計構造簡單，施工方便。可合理利用轉換層下建筑空間。雖然斜柱轉換結構形式有很多優點，但是因為它技術性要求較高，要求結構工程師和建筑師緊密配合，進行布局協調。節點處理較為復雜。

三、轉換層結構的設計要點

1.轉換層下部主體結構的剛度分布

豎向剛度的突變是設計過程中最復雜并且無法避免的問題。在進行抗震設計時，為了保證轉換層結構上、下層主體結構的總抗剪切剛度達到設計的要求，一般都是采取提高下部主體結構地豎向構件混凝土的強度等級，加大了其截面尺寸，或增設剪力墻地方法。但是需要重要注意：

（1）增大筒體的截面尺寸將導致結構的地震總反應增大，在整個下部結構的抗側總剛度中筒體所占比重會變得更大，筒體所承受地震荷載也將出現級數增大趨勢。因此，筒體作為抗震第一道防線，其安全性的設計應得到更加充分的重視；

（2）通過剪力墻的增設提高抗側剛度時，須注意整體的剛度分布要均勻，盡量確保質量中心與剛度中心重合，避免由兩者偏心導致建筑物的整體扭轉。

2.合理布置剪力墻對上、下剛度傳遞的影響

為使上、下兩種結構形式的內力能夠準確的傳遞，首先須盡量避免轉換層上、下結構剛度的突變，可以從兩個方面解決該問題：

（1）減少上部的剛度，即盡量減少上部住宅內所設置的剪力墻，且在滿足軸壓比要求的前提條件下盡量縮短墻肢；

（2）增大下部的剛度，在建筑的使用功能允許條件下，大空間層適當部位可以設置適量的落地剪力墻，同時須注意其布局的對稱及均勻。

3.合理選擇轉換層的結構剛度

轉換層結構的設計過程中，存在轉換層結構剛度的合理值問題。若轉換層的剛度過大，一方面，會導致地震的反應及結構的豎向剛度突然增大，使得轉換層上、下層處于更不利的受力狀態；另一方面，材料的用量將增加，降低結構經濟性的合理程度。若轉換層的剛度過小，上方框支部分的豎向構件和其它豎向構件間可能會出現過大的沉降差，使得在上部的結構中與該部分豎向構件相連的水平構件內部產生明顯的次應力，造成其配筋的增加。這一問題在正交的主次轉換梁結構中的轉換次梁中表現尤為突出，此時，不僅轉換次梁的截面尺寸要慎重選用，還須確保轉換主梁有足夠的剛度，從而減小因轉換主梁撓度引起的轉換次梁支座沉降，進而減小因此導致的上部結構構件產生的次應力。

四、結束語

高層建筑的轉換層是建筑結構中的重要部位，因為其轉換層的結構較為復雜、工程量較大，因此設計人員必須要對其建筑物的各自結構特點進行充分的考慮，選擇其結構型式必須配合建筑方案，然后做出合理的設計規劃，進而保證高層建筑轉換層的質量。

參考文獻：

[1]張維斌.鋼筋混凝土帶轉換層結構設計釋疑及工程實例[M].中國建筑工業出版社.

[2]李多龍.高層建筑結構設計的基本流程分析[J].江西建材，2013（6）.

[3]黃燕松.建筑結構設計建筑安全性問題的探析[J].城市建筑，2013（22）.

[4]建筑抗震設計規范 GB 50011-2010.

[5]高層建筑混凝土結構技術規程JGJ 3-2010.