浅析高层建筑转换层结构设计

米日阿依·热合曼

摘要：在我国城市化进程不断加快的同时，建筑行业也得到了快速的发展，不少的新型施工技术将用于建筑施工中。转换层在建筑功能上主要变现为可以提供较大的室内空间；为建筑物提供了大的入口；对高层建筑中不同功能、不同用途的楼层进行分割。所以，结构转换层的设计就相对较为复杂。本文主要对高层建筑的结构转换层设计进行简要的分析概述。

关键词：高层建筑；转换层；结构设计

前言

现代高层建筑正向体型复杂、功能多样、造型新颖的方向发展。同一栋高层建筑。沿高度方向功能发生变化，使得不同用途的楼层采用不同的结构形式才能满足建筑的功能要求，这就涉及到结构转换层的设计，对其不同功能的楼层连接处进行处理，以确保整个建筑结构的质量安全。然而高层建筑的结构转换层设计是一项较为复杂的工程。根据力学来分析，高层建筑转换层的上下层内力较为集中，且地震力集中，设计时就相对困难。在设计施工前，必须要对其进行详细的分析，确定方案无误便可进行施工，这也是复杂高层建筑设计的关键问题。

一、转换层定义及设计的原则

1.转换层的定义

一般情况下，高层建筑下部结构受力较大，而上部的结构受力相对偏小，为确保建筑整体的安全性能，必须保障高层建筑的下部结构充分牢靠。所以，往往其下部的结构布置要求刚度大、柱网密、墙体多，越往上层建造，所需柱、墙的数量均相应减少。使得整个建筑物出现上部活动空间远远大于下部，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需求，必须突破常规设计，在发生结构转换的楼层设置合理的水平转换构件，进而在确保建筑安全的基础上使整个建筑满足使用功能。

2.转换层设计的原则

在建筑物中设置转换层将造成建筑的竖向刚度发生突变，大大的降低建筑结构抗震能力，为有效的防止该情况的发生，必须遵循以下设计原则：在设置转换层过程中，尽可能减少转换构件，直接落地式的竖向构件越多，结构转换的竖向构件就会越少，能够减小刚度突变，有利于结构的抗震能力；转换层结构应设置在高层建筑竖向的较低位置，遵循宜低不宜高的原则；对转换层结构进行优化，保证所选换层结构的型式有确切的传力路径，以利于结构的分析设计，并且确保施工的质量；转换的刚度不宜过大，在兼顾建筑物安全及经济的条件下，坚持宜小不宜大的原则。

二、高层建筑转换层的结构形式及特点

1.粱式转换结构

粱式转换是高层建筑中实现垂直转换最常用的结构形式，主要是由上部剪力墙经转换梁传力给下部柱，完成整个建筑物的使用功能。该类转换方式传力途径直接、明确，构造简单，施工较方便有，利于工程的计算、分析，还大大的降低了成本，因此，得到了建筑行业的广大推广运用。

2.箱型转换结构

在转换梁的截面较大时，可以在转换梁的梁顶与梁底同时设置一层楼板，遍布全层，使得整个楼层都构成“箱子”的形式，由此被称之为“箱型转换层”。箱型转换结构也是高层建筑设计中比较常用地一种结构形式。优点是转换梁的约束强，刚度大，整体效果好，上下部受力较均匀。缺点是它直接占用了整个楼层的面积，使得这个楼层不能再有其他用途，只能当做设备层使用。自重大，造价高，施工复杂。

3.板式转换结构

板式转换层主要是应用在转换层上下柱网错位较多、布置没有次序的情况下，需要将转换层设置厚板，通过厚板来传递竖向荷载和水平荷载下力的传递。优点是：上下层竖向构件可灵活布置，无需上下对齐，因此满足了建筑的功能要求。也避免了竖向构件与转换层相交处复杂的节点构造。缺点是传力方式不直接、受力复杂、抗震性能差。自重较大，所消耗的材料较多，施工复杂。

4.桁架转换结构

桁架主要包括空腹桁架、实腹桁架。优点是：与梁式转换层相比较，该转换层质量和刚度都相对较小，分布均匀，故结构整体刚度的质量和刚度突变程度要小，使结构有较好的抗震性能。缺点是：桁架各杆件均为小偏心受力，延性较差。节点受力复杂，延性较差，因此转换桁架的延性和耗能能力较差。由于节点受力错综复杂，发生剪切脆性破坏的情况较多，引起计算配筋多，给施工带来一定的难度。因此，其应用受到一定的限制。

5.斜柱转换结构

当上下层轴线不对齐，柱子有错位时可以用斜柱将上层柱的荷载直接传给下柱。优点是：竖向荷载传力途经直接、明确，受力合理，将上部荷载直接传给下部承重构件，而不需要先传给梁，梁再传给下部柱因此减轻了梁所受的剪力负担，使梁的减压比大幅减小。转换层上、下楼层刚度比变化幅度小，所以在水平地震力作用下，可以避免结构层间剪力和构件内力发生突变，有利于结构抗震。自重轻，设计构造简单，施工方便。可合理利用转换层下建筑空间。虽然斜柱转换结构形式有很多优点，但是因为它技术性要求较高，要求结构工程师和建筑师紧密配合，进行布局协调。节点处理较为复杂。

三、转换层结构的设计要点

1.转换层下部主体结构的刚度分布

竖向刚度的突变是设计过程中最复杂并且无法避免的问题。在进行抗震设计时，为了保证转换层结构上、下层主体结构的总抗剪切刚度达到设计的要求，一般都是采取提高下部主体结构地竖向构件混凝土的强度等级，加大了其截面尺寸，或增设剪力墙地方法。但是需要重要注意：

（1）增大筒体的截面尺寸将导致结构的地震总反应增大，在整个下部结构的抗侧总刚度中筒体所占比重会变得更大，筒体所承受地震荷载也将出现级数增大趋势。因此，筒体作为抗震第一道防线，其安全性的设计应得到更加充分的重视；

（2）通过剪力墙的增设提高抗侧刚度时，须注意整体的刚度分布要均匀，尽量确保质量中心与刚度中心重合，避免由两者偏心导致建筑物的整体扭转。

2.合理布置剪力墙对上、下刚度传递的影响

为使上、下两种结构形式的内力能够准确的传递，首先须尽量避免转换层上、下结构刚度的突变，可以从两个方面解决该问题：

（1）减少上部的刚度，即尽量减少上部住宅内所设置的剪力墙，且在满足轴压比要求的前提条件下尽量缩短墙肢；

（2）增大下部的刚度，在建筑的使用功能允许条件下，大空间层适当部位可以设置适量的落地剪力墻，同时须注意其布局的对称及均匀。

3.合理选择转换层的结构刚度

转换层结构的设计过程中，存在转换层结构刚度的合理值问题。若转换层的刚度过大，一方面，会导致地震的反应及结构的竖向刚度突然增大，使得转换层上、下层处于更不利的受力状态；另一方面，材料的用量将增加，降低结构经济性的合理程度。若转换层的刚度过小，上方框支部分的竖向构件和其它竖向构件间可能会出现过大的沉降差，使得在上部的结构中与该部分竖向构件相连的水平构件内部产生明显的次应力，造成其配筋的增加。这一问题在正交的主次转换梁结构中的转换次梁中表现尤为突出，此时，不仅转换次梁的截面尺寸要慎重选用，还须确保转换主梁有足够的刚度，从而减小因转换主梁挠度引起的转换次梁支座沉降，进而减小因此导致的上部结构构件产生的次应力。

四、结束语

高层建筑的转换层是建筑结构中的重要部位，因为其转换层的结构较为复杂、工程量较大，因此设计人员必须要对其建筑物的各自结构特点进行充分的考虑，选择其结构型式必须配合建筑方案，然后做出合理的设计规划，进而保证高层建筑转换层的质量。

参考文献：

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