高层建筑转换层的结构设计

朱柯力

摘要：在我国较常见的建筑物形式为上部为小开间的民用住宅，较多的墙体来分隔空间以满足户型的需要；下部为大开间的商场或公共娱乐场所，大柱网、少墙体，以满足公共使用要求。为了实现这种结构形式的建筑物，必须在上下不同的结构体系转换的楼层设置转换层，完成结构变化形式的过渡。

关键词：高层建筑；转换层；设计特点；结构布置；构件设计；抗震设计

中图分类号：TU97文献标识码：A文章编号：

引言：

随着城市建设步伐的加快，高层建筑的功能需求也发生了很大的变化，不再是单一、枯燥和片面的。常见的建筑物结构形式为民用住宅与公共场所通过墙体、柱网进行分开，各自满足自身的使用要求。在这其中运用到了转换层，只有通过转换层才能实现这种结构变化形式的过渡，完成各自的需求功能。本文通过介绍转换层的概念、设计原则及结构形式、受力特点，分析转换层结构构件设计，望能起到抛砖引玉的效果。

1.高层建筑结构转换层的特点

转换结构构件需要承受其上部结构所传下来的巨大竖向荷载或悬挂下部结构的多层荷载，使得转换结构构件的内力很大，竖向荷载成了控制转换结构构件设计的主要因素。转换结构构件通常具有数倍于上部结构的跨度，转换结构构件的竖向挠度成为严格控制的目标。因此为保证转换结构有足够的强度和刚度，致使结构构件的截面尺寸不可避免地高而大。结构中由于设置了转换层，沿建筑物高度方向刚度的均匀性会受到很大的破坏，力的传递途径有大的改变，为竖向不规则结构，这决定了转换层结构不能以通常结构来进行分析和设计。

2.转换层的结构布置

底部带转换层的建筑结构，转换层上部的部分竖向构件不能直接连续贯通落地，因此，必须设置安全可靠的转换构件。按现有的工程经验和研究结果，转换构件可采用转换大梁、析架、空腹析架、斜撑、箱形结构以及厚板等形式。

由于转换厚板在地震区使用经验较少，可在非地震区和 6 度抗震设计时采用，对于大空间地下室，因周围有约束作用，地震反应小于地面以上的框支结构，故 7 度，8 度抗震设计时的地下室可采用厚板转换层。落地剪力墙和框支柱的布置对于防止转换层下部结构在地震中倒塌将起十分重要的作用。

高规规定了几条重要原则: 带转换层的筒体结构的内筒应全部上、下贯通落地并按刚度要求增加墙厚; 框支剪力墙结构要有足够的剪力墙上、下贯通落地并按刚度比要求增加墙厚; 长矩形平面的框支剪力墙结构，抗震设计时，其落地剪力墙的间距按原规程适当加严，比原规程增加了限制落地柱周围的楼板不应错层的规定。

这几点的原则是防止转换层下部结构破坏的基本要求，特别是对于抗震设计的结构，要求更加严格。

遵守这些原则就可控制刚度突变，减少内力传递的突变程度，缩短转换层上、下结构内力传递途径，保证转换层楼盖有足够的刚度以传递不同抗侧力结构之间的剪力，防止框支柱因楼盖错层发生破坏。

框支剪力墙转换梁上一层墙体内不宜设边门洞、中柱上方不宜设门洞。试验研究和计算分析说明，这些门洞使框支梁的剪力大幅度增加，边门洞小墙肢应力集中，很容易破坏。此外，落地剪力墙和筒体的洞口宜在墙体的中部，以便使落地剪力墙各墙肢受力( 剪力、弯矩、轴力) 比较均匀。

3.转换层结构构件设计

3.1框支柱

框支柱截面尺寸一般由轴压比决定，还应满足剪压比。轴压比主要影响框支柱的延性，只有严格控制其轴压比，才能保证框支柱的延性能够应用于高层建筑中。工程框支柱的抗震等级为一级，因此其轴压比应小于0.6；若是截面尺寸较大，那么其轴压比就应小于0.55。其延性还受到配箍率的影响，因此与一般框架柱相比，支柱的配箍率要大得多。在转换层结构中，框支柱是很重要的构件，保证其安全性对整个结构都具有非常重大的意义。因此柱端剪力及柱端弯矩都应与相应的增大系数相乘，计算每层框支柱的承受剪力和时，直接选取基底剪力的30%。在计算时，一般采用程序进行，假设的条件是楼板刚度无限大，根据竖向构件的刚度，对水平剪力进行分配。因框支柱远远小于底部剪力墙刚度，因此框支柱剪力较小。在实际建筑中，由于受到各种因素的影响，工程中的楼板会出现变形现象，剪力墙也会产生裂缝，这些方面都会降低刚度，从而增加框支柱剪力。因此在结构设计中，会将增大框支柱剪力的部分独立出来，单独做出要求。

3.2 框支梁

作为上下层荷载的传输枢纽，框支梁能够保证框支剪力墙抗震性能。框支梁截面尺寸主要受剪压比支配，宽度应大于其2倍的上墙厚，并保持在400 mm以上；高度应根据计算出的跨度决定，为跨度的1/6；在施工中，规定框支梁的梁宽为800 mm。由于其的受力较巨大、复杂，因此结构设计时，应保证留有一定的安全储备。框支梁纵筋的抗震等级为二级，要求其配筋率应大于0.4%。在符合计算要求的前提下，框支梁的配筋率规定大于0.8%。因框支梁的受力不均匀，梁中存在较大的轴力，因此应配备一定的腰筋量，保证施工顺利实施。腰筋采用Φ18规格，沿梁高间距小于200 mm，并应可靠锚入支座内。作为抗震的重要构件，框支梁的受剪很大，应遵循“强剪弱弯”的方针，在纵筋数量较多的背景下，加强箍筋。

3.3 转换层楼板

以转换层为界，框支剪力墙被分为上下两部分，且这两者的受力情况是有差异的。上部楼层中，外荷载产生的水平力具有一定的分配原则，是根据各片剪力墙的等效刚度比例来进行的；下部楼层中，框支柱的刚度不同于落地剪力墙间的刚度，水平剪力主要由后者承担，即在转换层处荷载分配不均匀。转换层楼板的任务较重，主要负责完成上下部分剪力重分配，且因转换层楼板自身存在的受力大、变形大特点，必须要有足够的刚度来支撑其任务的完成。

4.转换层高层建筑结构的抗震设计

带转换层的高层建筑结构中，由于设置了转换层，沿建筑物高度方向刚度的均匀性受到很大的破坏，转换层结构竖向承载力构件不连续和墙、柱截面的突变，导致传力路线曲折、变形集中和应力集中，因此转换结构的抗震性能较差。抗震设计时，高位转换对结构受力十分不利。计算分析说明，在水平地震作用下，倾覆力矩分布曲线在转换层处呈现转折，转换层下部是以剪力墙为主的框架—剪力墙结构，落地剪力墙所分配的倾覆力矩由转换层往下递增较快，而支撑框架的倾覆力矩递增很少。

此外，转换层处，框支剪力墙的大量剪力通过楼板传递给落地剪力墙，这也是倾覆力矩曲线呈现转折的原因。当转换层位置较高时，剪力分配和传力途径亦发生急剧的突变，落地剪力墙更容易产生裂缝，框支剪力墙在转换层上部的墙体所受内力很大，易于破坏，转换层下部的支承框架更易于屈服，从而容易形成几个薄弱层。

因此，为保证设计的安全性，规定部分框支剪力墙结构转换层的位置设置在 3 层以上时，其框支柱、剪力墙底部加强部位的抗震等级宜按高规规定提高一级采用，已经为特一级时不再提高，提高其抗震构造措施，而对于底部带转换层的框架—核心筒结构和外围为密柱框架的筒中筒结构的抗震等级不必提高。底部带转换层的高层建筑在我国已大量建造，但至今未经受到大地震的考验。其转换层上部楼层的部分竖向构件不能连续贯通至下部楼层，因此，转换层是薄弱楼层，其地震剪力需乘以1.15 的增大系数。设计中不要误认为只要楼层侧向刚度满足要求，该楼层就不是薄弱层。

对转换层的转换构件水平地震作用的计算内力需调整增大;8 度抗震设计时，还应考虑竖向地震作用的影响。转换构件的竖向地震作用，可采用反应谱方法或动力时程分析方法计算: 作为近似考虑，也可将转换构件在重力荷载标准作用下的内力乘以增大系数 1.1。

5.结语

转换层结构较为复杂且工程量又较大，因此设计人员首先应注重概念设计，这样一来可以少走弯路；其次通过上述计算和分析可以得知，此类建筑在平面布置上应尽可能的规则、对称，减少偏心，优化调整转换层上下结构的布置和刚度，使之接近是十分必要的；同时应注意框支梁、框支柱等构件的特殊性；最后也应考虑施工难度大的因素，因此在设计时，尽量考虑施工的可行性，以达到最为合理的设计。

参考文献：

[1] 赵西安． 高层建筑结构实用设计方法［M］． 第 3 版． 上海： 同济大学出版社，2007．

[2] 毛华毅． 浅谈高层建筑结构设计的若干问题［J］． 山西建筑，2010，36（ 9） ： 72-73．

[3] 唐兴荣.高层建筑转换层结构设计与施工[M].北京：中国建筑工业出版，2007.

[4] 张维斌.钢筋混凝土带转换层结构设计疑释及工程实例[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.