高层建筑中转换层结构的现状和发展

冯义波 李琦

淄博市规划设计研究院 255000

摘要：文章介绍高层建筑转换层的概况，对转换层的几种转换方式进行分析比较，探讨转换层结构的发展趋势，提出研究中存在的问题，表明转换层结构推动了高层建筑及其结构体系的发展。

关键词：高层建筑；转换层结构；转换方式

一、概述

近年来国内外高层建筑发展迅速，现代高层建筑越建越高、越建越大，其建筑向着体型复杂、功能多样的综合性方向发展。在同一座建筑中，沿房屋高度方向的建筑功能要发生变化，上部楼层布置旅馆、住宅；中部楼层作为办公用房；下部楼层作商店、餐馆和文化娱乐设施。这种不同用途的楼层需要大小不同的结构形式。

从建筑功能上看，上部需要小开间的轴线布置和需要较多的墙体以满足旅馆和住宅的功能要求；中部则需要小的或中等大小的室内空间，可以在柱网中布置一定数量的墙体以满足办公用房的功能要求；下部需要尽可能大的自由灵活的室内空间，要求柱网大、墙体尽量少，以满足商店、餐馆等公用设施的功能要求。

从结构受力上看，由于高层建筑结构下部楼层受力很大，上部楼层受力较小，正常的结构布置应是下部刚度大，墙体多、柱网密，到上部渐渐减少墙、柱的数量，以扩大柱网。这样，结构的正常布置与建筑功能对空间的要求正好相反。因此，为满足建筑功能的要求，结构必须进行“反常规设计”，即将上部布置小空间，下部布置大空间；上部布置刚度大的剪力墙，下部布置刚度小的框架柱。为了实现这种结构布置，就必须在结构转换的楼层设置水平转换构件，即转换层结构。

二、转换层的主要转换方式

转换层楼盖依其受力状态的不同可以分为梁式楼盖转换、箱形楼盖转换、桁架转换、厚板转换和斜柱转换。

梁式楼盖：在现浇钢筋混凝土楼板上布置单向托梁（纵向或横向）或双向托梁（纵、横向）或斜向托梁，以承托在本层落空的上面各层的承重柱或剪力墙。该种转换形式一般用于底部大空间剪力墙结构，当需要纵横向同时转换时，采用双向梁的布置。对于框筒或筒中筒结构，由于外框筒的柱一般较密，在底部一、二层的出入口处往往不能满足使用要求，有时要求把外筒在局部减少，因而形成上层有柱、下层无柱的情况，有时出入口不止一处，对此情况可以在相应楼层下做一圈转换大梁，把上部柱的荷载通过转换大梁传到下层两边的柱上去。

箱形楼盖：以上、下两层楼板作为构件的上下翼缘，并在其间设置若干片单向或双向腹板（竖隔板）后，所形成的箱形水平抗弯构件。转换层箱形楼盖的适用范围与梁式楼盖大致相同，即可用于上下层的构件类型转换，柱网尺寸的扩大以及构件轴线单向错位等。但是箱形楼盖具有比梁式楼盖大得多的承载能力，因此箱形楼盖特别适用于大跨度以及承托大荷载的柱和墙。

桁架转换：对于下部是商场、娱乐设施而上部是住宅、客房等情况的建筑，一般在客房或住宅与商场之间设有一个管道设备层，可以利用设备层的空间根据上、下柱网轴线的位置设置桁架。桁架上部的柱或墙的荷载通过桁架传到下部较大间距的柱或墙上，而设备管道又可以在桁架的腹内穿行。

厚板转换：当结构上、下柱网轴线错开较多，难以用梁直接承托时，可以做成厚板，形成板式承台转换层，板式转换层的下层柱网可以灵活布置，无须与上层结构对齐。厚板厚度要视柱网尺寸及上部荷载而定，但是这种转换层体系自重很大，材料耗用较多。厚板楼盖虽然外形比较简单，但是由于它很厚，其厚度有时达到3.0m，自重很大，差不多等于20层一般楼盖的自重，对抗震不利。在地震作用下，这样大的质量必将引起很大的水平地震作用，而且是作用于一个楼层的水平集中力，它会使下面楼层的层间侧移变得较大。此外，由于厚板楼益的水平刚度和竖向刚度均很大，相比之下，使得上、下楼层因层间抗推刚度显得较小，而变成“相对柔弱层”。从而加剧其上、下楼层的塑性变形集中效应，进一步加大上、下楼层的层间侧移值，以致降低这些楼层的结构抗震可靠度，加重其破坏程度。因此，对于地震区的高楼，转换层要慎用厚板楼盖。万不得已必须采用厚板楼盖时，一定要采取措施提高其上下各楼层的结构构件的变形能力。

斜柱转换：斜柱转换是一种可在大量超高层、高层建筑中推广采用的转换结构形式。它是桁架转换中最简单的一种，采用它将会改变转换层不便使用的概念，将目前巨型梁转换仅能供作管道层改为可进行营运的有效使用面积，变“死”空间为活空间，使转换层具有了更大的经济价值。

三、转换层结构的发展趋势

上世纪70年代中期，国内开始尝试使用底层大开间剪力墙结构（即梁式转换层），转换层结构的工程应用发展迅猛，工程实际中转换层结构的应用正朝着形式多样、方法多样以及结构受力更有利的方向发展。主要体现在以下几个方面：

（一）钢骨混凝土转换层的应用

由于建筑朝着高层和超高层形式发展，相应转换层结构中转换构件承托的层数也增多；同时，又由于建筑功能对层高及空间的种种要求和限制，这使得工程应用中钢骨混凝土材料的引入势在必行。钢骨混凝土梁不仅承载力高、刚度好，可大大减小截面尺寸，且塑性、耐久性、抗震性能也优于钢筋混凝土梁。

此外，钢骨混凝土梁在施工阶段其自身刚度好，定位准确，可减少支模，加快施工进度。目前，国内采用钢骨混凝土转换构件的实际工程还不多，但国外采用则较多。

（二）预应力转换层的应用

采用预应力技术可带来许多结构和施工上的优点，如减小截面尺寸、控制裂缝和挠度、控制施工阶段的裂缝及减轻支撑负担，等等。因此，预应力混凝土结构非常适合于建造承重荷载的大跨度转换层，且自重轻，节省钢材和混凝土。随着我国预應力技术的发展，预应力材料及施工费用不断下降，即使用材料等强代换的概念从经济上来比较预应力混凝土结构和钢筋混凝土结构，许多情况下后者并不比前者经济。

（三）转换梁受力性能的改善

实际设计时，转换梁的截面尺寸通常是由它的抗剪承载力要求来确定的，截面尺寸往往较大，由于梁很强，处理不好有可能使转换梁与框支柱形成的框架出现强梁弱柱的现象，对结构的抗震不利；另一方面，采用转换梁也或多或少会影响该层的使用空间；对外筒的转换，采用转换梁会对该层的通风、采光等不利，若开设洞口，则会产生明显的应力集中现象。因此，寻求新的转换结构形式和改善转换梁受力性能的有效措施有其必要性。

四、转换层结构研究的几个问题

（一）带转换层高层建筑结构抗震性能和抗震设计方法的研究

高层建筑中，由于设置了转换层，建筑物高度方向刚度的均匀性受到了很大的破坏，转换层结构竖向承力构件不连续和墙、柱截面的突变，导致了传力路线曲折、变形集中和应力集中，因此转换结构的抗震性能较差。目前有关转换层结构动力特性和抗震性能的研究还不多，现行规范中也没有给出明确的条款，如何准确建立高层建筑转换层结构地震作用的计算模式有待进一步研究。

（二）转换层上、下层结构侧向刚度比的描述方法和合理刚度比的研究

目前转换层上、下结构侧向刚度比是按楼层剪切刚度比来控制的，但存在着考虑竖向构件的布置位置不同，对层刚度的贡献是不同的，而楼层剪切刚度比并没考虑竖向构件的布置问题；同时还存在特殊结构布置情况下剪切面积取值不明确等问题。因此，采用何种刚度指标来描述转换层上、下层结构侧向刚度比的变化以及取值范围等有待研究。

（三）转换层楼板平面的内力和变形问题

目前，实际工程设计中采用的高层建筑结构计算分析程序均采用了楼板在自身平面内刚度为无穷大的假定，这一假定使得位于楼板平面的杆件无法直接计算其轴向变形和杆件的轴向内力。但试验表明，转换层结构不计算位于楼板平面内的变形是不安全的。因此，转换层楼板平面的内力和变形问题有待进一步研究。

五、结语

转换层结构是一种新型的结构形式，它的出现推动了高层建筑及其结构体系形式的发展。极大地促进了建筑科学的进步。转换层结构形式多样且各具特点，设计时应结合工程实际情况加以选用，并应注重转换层结构的概念设计。合理的结构平面和竖向布置可以从整体上形成良好的抗震体系，保证建筑物的安全性和经济性。