探讨高层建筑转换层结构设计

张立芬（湖南蓝都工程设计咨询有限公司，湖南 常德 415700）

目前转换层技术广泛应用于建筑物当中，成为建筑物当中一种常见的结构。城市建筑类型大部分为高层建筑设计，高层建筑使用功能逐渐向综合化、多样化、全面化等方向发展。一般而言，当高层建筑下部楼层竖向结果体系或形式与上部楼层差异较大，或者下部楼层竖向结构轴线距离扩大或上、下部结构轴线错位时，就必须在结构改变的楼层布置转换层结构。但是转换层结构是一种受力复杂的不利抗震的结构建筑，抗震设防烈度在9度时不应采用，必须按照《抗震规范》中的抗震等级进行相应的计算和构造措施[1]。可以说，转换层设计是整个工程设计的难点。在设计中，必须结合实际情况，选择合适的方法进行设计，进而达到经济、安全的综合成果。

1 设计原则

1）结构竖向布置

在转换层的设计中应确保转换层具有足够的强度和刚度，如果对大底盘多塔楼的商住建筑，塔楼的转换层宜设置在裙房与塔楼的交接楼面处，并加大楼面转换梁、板的尺寸和厚度。若对部分框支剪力墙的高层建筑结构设计时，应根据《高层建筑抗震设计规范》规定 7 度区不宜超过第 5 层，8 度区不宜超过第 3 层。

2）结构平面布置

转换结构布置在边柱和角柱时，可以使上下层柱交错布置，转换梁进行纵、横两个方向的布置时可以提供较大的使用空间等等。当对建筑进行抗震设计时，采取将一段长度的剪力墙与地接触并且与基础相通，即使得剪力墙与框支墙形成整体工作体系，这样提高了结构的抗震性能[2]。

3）转换层下部的主体结构刚度要得到强化

要使建筑物下部整体结构的抗震性能、延性、刚度和强度得到一定程度的保证，就要对转换层下部主体结构进行一定的强化，在具体的工作中一般都会采用提高混凝土等级、使转换层下部的主体结构构件的尺寸得到相应的增加、增设剪力墙等众多方式对下部主体结构刚度进行适当的强化。在这个过程中，主要需要注意两个方面的问题：

通过增设剪力墙的方式来提高刚度的时候，要对建筑结构整体的刚度均匀的分布开，做到刚度中心和质量中心的重合，如果二者的中心发生偏移，很有可能会发生建筑整体结构扭转。

要避免简体界面尺寸增大，因为如果这个尺寸变大很可能会导致下部结构的抗侧总刚度中简体的比重变大，同时，地震总反应也会相应的增大，这样一来，简体的抗震能力就会出现变化，所能承受的抗震荷载就会变大，在简体的安全设计中抗震环节要引起格外的重视。

4）转换层的刚度要得到保证

在具体的建筑设计中一定要使转换层的刚度得到保证，因为只有刚度得到了保证才会更好的保证内力在转换层和下部构件中的合理分配。只有转换梁和剪力墙柱的受力性都非常好，才会对结构转换起到一定的效果。

5）转换层的位置不能偏高

如果转换层的位置偏高，剪力墙的内力和刚度都会发生变化，对抗震设计会产生不利影响。在进行高位转换的时候，转换层下面框支结构的刚度要得到相应的控制，这样的控制可以对层间内力突变的减少具有重要作用。同时，落地剪力墙也要得到相应的控制，而且要比底层框支剪力墙结构更严一些。

2 设计实例

工程位于湖南省长沙市，是商住合为一体的高层建筑，建筑物总高为65.4m，其中地下1层，主要用途为汽车库和设备用房；1～3为商业用途；4～20层为住宅楼。

2.1 结构选型

因为该工程为商住混为一体的综合性建筑，住宅楼部分分隔空间较多，所以采用剪力墙结构；而底部商业楼需要用到大空间结构，就要将剪力墙结构中的部分剪力墙改为框架结构。这种上部为剪力墙结构，底部为部分框架的剪力墙为框支剪力墙结构。当住宅楼部分剪力墙不能从上到下贯通到基础时，应设置梁式转换层。因为，梁式转换层的设计和施工均较为简单，传力较为明确，是目前应用最为广泛的转换型式。它的缺点在于，当上下轴线错位布置时，需增设较多的转换次梁，空间受力较为复杂，此时应对框支主梁进行应力分析。所以该工程选用了带梁式转换层的框支剪力墙结构。

2.2 抗震等级的确定

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010），本工程为丙类建筑，高度65.4m，所处地区地震设防列度为7度，框支框架及底部加强部位的剪力墙抗震等级均为二级。根据10.2.6条对部分框支剪力墙结构，当转换层的位置在3层及3层以上时，其框支柱、剪力墙底部加强部位的抗震等级需提高一级采用。因本工程转换层位置处于结构3层，已属于“高位转换”，根据规范要求，该框支框架与底部加强部位的剪力墙抗震等级均为一级。

2.3 转换层结构布置

由于上部的住宅楼需分隔空间较多，一次转换难以满足建筑功能的需求，因此本商住楼设置了主梁与次梁的二次转换。

2.4 构造措施

对整体结构进行概念分析的基础上还需采取必要的构造措施以满足结构抗震设防的要求。本工程采取的构造措施如下：

1）加强底部框支层的刚度与延性。转换层以下剪力墙与框支柱混凝土等级均取C40；底部剪力墙厚度取350mm，而核心筒部分的厚度则取400mm，并尽量不开洞或开小洞为宜，以免削弱底部结构刚度。考虑到本工程结构不规则，整体性较差，因此在满足建筑使用功能的前提下尽量布置多些落地剪力墙，减少转换构件，还使质心与刚心尽量重合，使其满足转换层结转换层上下楼层侧向刚度比与转换层等效侧向刚度比的要求。

2）加强转换层楼板的刚度和延性。由于转换层楼板是框支剪力墙结构的分界，上下两部分的受力性能差异较大。上部各片剪力墙结构在外部荷载的作用下基本是按等效刚度比例分配，受力性能较好；而下部框支柱与落地剪力墙由于性能的不同使水平剪力主要集中在落地剪力墙上，即在转换层处荷载分配产生突变，容易造成薄弱层。所以为了确保水平荷载的可靠传递，转换层楼板采用了C35混凝土，楼板厚度为200 mm，钢筋采用高强度HRB400级钢筋双层双向布置，配筋率满足每层每向大于0.25%的要求。

3）结构计算。

梁式转换层建筑结构主要可以分成两部分，一个部分就是竖向荷载和剪力墙本身的受力已经很大了，同时还要作为建筑结构抗震的重要部位。另一个部分就是在转换的过程中要将上层的水平剪力传到下层的抗剪结构之中，同时它本身收受的内剪力会比较大，还会承受一部分竖向荷载，这就要求建筑的楼板要具有足够的强度与刚度。

对于复杂高层建筑，合理选择计算软件在设计过程中非常重要。为了确保计算结果的可靠性，本工程主要应用中国建筑科学研究院编制的2010版PKPM-SATWE进行计算，并用北京迈达斯技术有限公司编制的Midsa building2012进行复核。转换层作为整个结构的一个重要组成必须采取符合实际受力变形状态的计算模型进行三维空间整体结构受力分析，并对转换层结构进行局部补充计算。为了保证转换梁柱的传力可靠，转换梁柱中线宜重合；本工程转换梁截面主要为400mm x 1200mm，450mm x 1500mm，500mm x 1500mm几种尺寸，满足规范转换梁截面高度不宜小于计算跨度的1/8，框支梁截面宽度不宜大于框支柱相应方向的截面宽度，且不宜小于其上端截面厚度的2倍和400mm的较大值的要求；框支柱主要为700mm x 900mm，800mm x 800mm，800mm x 1000mm几种尺寸，满足柱轴压比与规范要求的抗震设计时宽度不宜小于450 mm，高度不宜小于转换梁跨度的1/12要求。对于带转换层的复杂高层建筑，除了需考虑扭转耦联作用外，还需考虑模拟施工加载[3]。由于模拟施工加载3具有同时考虑竖向刚度的逐渐形成和竖向荷载的逐渐累加，还可根据具体的施工方案来定制施工次序，从而能更真实地模拟施工过程，因此模拟施工3更适用于竖向布置不规则、传力复杂的高层建筑，它的计算结果比其它几种模拟施工过程更接近于实际的施工过程。采用SATWE整体分析求出的顶点位移、落地剪力墙所分担的地震剪力、扭转为主的第一周期与平动为主的第一周期之比等结果均满足规范要求；在整体分析的基础上，还应取其内力进行人工配筋校核。

当整个设计完成之后，不能忘了还要对转换层进行有限元计算，同时还要对局部应力进行补充计算。在对转换层进行分析与计算的过程中，应该充分考虑到转换结构房盖的内刚度影响，同时还要对上下楼层的计算模式进行精确的计算。实际的设计操作证明，对框支剪力墙的计算可谓非常之复杂，下部的跟柱要与剪力墙紧密相连，如果连接不当，就很有可能会出现较大的误差。

3 结语

本文主要针对高层建筑转换层结构设计要点进行研究与分析。首先，对高层建筑转换层结构设计原则进行介绍。然后，从工程实例中探讨转换层设计方法，由于带转换层结构的高层建筑理论方法还在不断完善研究之中，因此在结构设计中要不断对方案进行对比分析，合理选择转换层结构类型，严格按照相关规范进行概念设计，才能实现建筑经济、合理、安全等综合目标。

[1]谢晓锋.高层建筑转换层结构型式的应用现状及问题[J]. 广东土木与建筑，2004（02）9.

[2]周明.高层建筑选型及结构设计研究[J].中国高新技术企业,2009（06）,188.

[3]关度豪.试述如何做好高层建筑转换层的结构设计[J].价值工程，2010（18）,129.