关于建筑高层转换层设计探究

陈海峰

摘要：建筑物某层的上部与下部因平面使用功能不同，该楼层上部与下部采用不同结构类型，并通过该楼层进行结构转换，则该楼层称为结构转换层，结构转换层在建筑中形式较多，应用较广。在高层建筑设计中，转换层设计是结构设计的一个难点，更是不同形式结构体系转换的关键点，设计时应不断研究和进行方案比较，在可能的情况下做出较优的技术方案才能实现安全、适用、经济等综合目标。本文就建筑高层转换层设计要点进行综合探究，旨在设计出科学合理的建设方案，减少施工的风险和难度。

关键词：建筑高层；转换层设计；受力；功能

前言

现代高层建筑向多功能和综合用途发展，在同一竖直线上，顶部楼层布置住宅、旅馆，中部楼层作办公用房，下部楼层作商店、餐馆和文化娱乐设施。不同用途的楼层，需要大小不同的开间，采用不同的结构形式。这种类型结构的特点是竖向荷载作为结构设计的关键，转换结构设计的目标是把握好结构构件的挠度，而且转换层结构的施工量繁重且复杂，应该高度重视高层建筑转换层结构的施工过程。

1、高层建筑结构转换层设计概述

1.1 转换层结构功能。在建设转换层结构建筑时要求上部的刚度大，下部的刚度小，这样才能进行结构布置。将上层的剪力墙转换成下层的框架结构，实现大的空间结构，这是第一层转换层；上层和下层的结构形式不改变，变更上、下层的柱网和轴线，目的在于增大下部柱子之间的距离，使柱子形成一个网，这种类型的转换层经常用在外框筒下面构成一个入口，这是第二层转换层；上层剪力墙结构转换为框架结构的同时，柱子的网状结构的轴线与上层的轴线不是竖向连贯的，这就形成了上、下结构布置的错位，这是第三种转换层。

1.2 转换层结构分类。为了满足建筑功能的要求，结构必须以与常规方式相反进行布置，上部小空间，布置刚度大的剪力墙，下部大空间，布置刚度小的框架柱。为此，必须在结构转换的楼层设置转换层。结构转换层按结构功能分为三类：第一，上层和下层结构类型转换。多用于剪力墙结构和框架-剪力墙结构，它将上部剪力墙转换为下部的框架，以创造一个较大的内部自由空间。第二，上、下层的柱网、轴线改变。转换层上、下的结构形式没有改变，但是通过转换层使下层柱的柱距扩大，形成大柱网，并常用于外框筒的下层形成较大的入口。第三，同时转换结构形式和结构轴线布置。即上部楼层剪力墙结构通过转换层改变为框架的同时，柱网轴线与上部楼层的轴线错开，形成上下结构不对齐的布置。转换层的结构形式：当内部要形成大空间，包括结构类型转变和轴线转变时，可采用梁式、桁架式、空腹桁架式、箱形和板式转换层；当框筒结构在底层要形成大的入口，可以有多种转换层的形式，如梁式、桁架式、墙式、合柱式和拱式等。目前，国内用得最多的是梁式转换层，它设计和施工简单，受力明确，一般用于底部大空间剪力墙结构，当上下柱网、轴线错开较多，难以用梁直接承托时，可以做成厚板或箱式转换层，但其自重较大，材料耗用較多，计算分析也较复杂。

1.3 转换层设计原则。首先，转换层设计要有足够的刚度。保证内力合理的分配，要求梁的高度大于等于跨度1/6，转换梁具有很好的受力能力，可以在结构中起到很好的转换功能。其次，高层建筑中转换层的布置应该低一些。转换层布置较高时，框架剪力墙结构在每层容易发生刚度和内力的变化，这个部位形成薄弱部位，不利于抗震的要求。实际工程中必须要采用高布置时，设计中要综合弯曲、剪切和轴向的整体刚度，这样可以减少内力突变。第三，设计中要尽量减少竖向构件。贯穿落地的竖向构件越多，那么转换层设计就越来越少，而且这种结构可以很好的满足抗震的要求。

2、不同形式转换层设计要点

2.1 转换梁设计。转换梁的结构在转换梁的形式方向可以分为托墙和托柱两种。转换梁在承受上层普通框架时，转换梁要保持在规定的截面尺寸内，转换梁的受力情况和普通梁基本保持一致，此时可以按照普通梁的截面设计方案进行施工。转换梁在整垮上是否开洞，都承载上面墙体，并与之共同工作，其受力特点和破坏形式表示为深梁形式，此时就采用深梁的截面设计方案。当满跨不开洞时，纵向钢筋就要沿整个的梁高均匀布置，当满跨且开洞或者不满跨但剪力墙较长时，纵向钢筋要沿梁的下部均匀布置，转换梁此此时存在很大的内力，所以底部的纵向钢筋应该全部延伸到支座中，不应截断。梁式转换层形式的传力方式是由墙体传给梁、柱，力的传递方向清晰，有利于力的计算和工程的分析设计，节省造价，因此该结构是在实际的工程中最常见的形式，应用很广泛。

2.2 框支柱设计。框支柱承受的地震剪力标准值应按下列规定采用：框支柱的数目多于10根时，当框支层为1-2层时，每层每根柱承受的剪力之和应取基底剪力的20%；当框支层为3层及3层以上时，每层框支柱承受剪力之和应取基底剪力的30%；框支柱剪力调整后，应相应调整框支柱的弯矩及柱端梁的剪力、弯矩，框支柱轴力可不调整；而当框支柱的数目不多于10根时，当框支层为1-2层时，每层第根柱承受的剪力应至少取基底剪力的2%；当框支层为3层及3层以上时，各层每根柱所受的剪力应至少取基底剪力的3%。

2.3 桁架式转换层设计。桁架式转换层形式的优点是受力清晰，自重相对较小，抗震性能强，管道安装和后期维护程序简单，但是这种形式施工的难度较大。桁架式转换层形式的承重结构是由多个钢筋混凝土桁架构成，桁架的杆分别设置在上下楼层面的结构层内，每层之间又设置了腹杆。桁架有空腹和实腹两种，材质可以是钢的或者钢筋混凝土的，后者在实际的高层结构中是比较常用的，桁架式转换层的设计以满足斜腹杆和节点的设计为要点，节点受力比较复杂，由于力的作用，容易发生剪力破坏的情况，此形式一般要求高度达到3m以上，否则斜压杆成为短柱，在高强度的作用下发生脆性破坏。

3、建筑高层转换层设计注意事项

3.1 转换层位置宜低不宜高。由于高层建筑结构竖向刚度存在一定程度的突变，且转换层上下附近的刚度、内力和传力途径都会发生突变，并且转换层通常刚度大、自重大，在其附近的楼层极易屈服，形成薄弱层，对抗震不利。另外，高位转换框支剪力墙结构的转换层下部落地剪力墙易产生裂缝，使得转换层下部刚度减小，导致框支柱产生裂缝；并且由于转换层的刚度大使得转换层上层相当于固结底层，从而使转换层上层的剪力墙内力增大易产生破坏，因此，设置转换层应坚持转换层位置宜低不宜高。底部大空间部分框支剪力墙高层建筑结构在地面以上的空间层数8 度时不宜超过 3 层，7度时不宜超过 5 层，6 度时其层数可适当增加；底部带转换层的框架核心筒结构和外筒为密柱框架的筒中筒结构，其转换层位置可适当提高。

3.2 上下轴网部份对齐。为避免采用厚板式转换层结构，尽可能采用梁板式或其他形式的转换层结构，其必要条件就是上下轴网部份对齐，轴网对齐的比例越高，转换层结构的设计就越简单容易，结构受力更明确，经济效果更好，这方面有赖于结构与建筑方案的密切配合和协调。如果结构上部、下部的轴网全部错位，则转换层结构可能只得采用厚板式，厚板式转换层结构是所有转换层结构中缺点最多的一种形式，不仅受力不好，设计难度高，施工困难，而且极不经济。

4、结语

总之，在高层建筑转换层的施工过程中，由于构件的复杂性和受力的多向性，使得对构件的支持系统要求很高，因此在施工过程中要严格控制质量，确保钢筋绑扎过程中的骨架稳定性，以保证建筑质量。

参考文献：

[1] 王蕾，高层建筑转换层结构设计与施工研究[J]，城市建设理论研究，2012（36）：57-58

[2] 王春伟，高层建筑转换层结构设计中的问题分析[J]，黑龙江科技信息，2011（23）