建筑转换层结构设计方案的研究

贾志鹏

摘 要：本文首先阐述和分析了建筑转换层结构设计原则以及相关技术标准，然后结合实际案例，从结构类型选择、转换层结构布置、计算分析结构等方面对转换层结构的布置进行了阐述。

关键词：建筑工程；转换层结构；设计方案

中图分类号：TU97 文献标识码：A

在建筑设计领域中，转换结构的应用越来越广泛，特别是在有不同功能划分的建筑中。而转换层受力复杂，又承担上部结构的荷载，因此，转换层的结构方案布置对结构整体的安全性尤为重要。

一、建筑转换层结构设计原则以及相关技术标准

进行建筑转换层结构设计时，应当注重结构计算的合理性，从全局角度出发，提高最终结果的准确性。实践期间，通常是根据受力变形情况建立求解模型，全面研究三维空间架构特征，完成计算工作。转换结构属于综合结构不可或缺的环节之一，考虑到结果的精确度，我们可以选择有限元法分级求解。具体实施阶段，不但要重视模型中的结构层数量（两层及以上），而且需要确保其边界条件和真实情况完全匹配。计算综合结构的过程中，需要通过两种或以上的力学模型确认抗震性能，而针对弹性时程的求解，应当选择弹塑性时程进行处理。高位转换期间，必须根据重力荷载环境完成结构的计算。

转换层属于高层建筑结构的重要组成，所以有关其内力分析，必须从全局出发对结构进行研究与探讨。而在综合内力以及位移求解方面，可以选择两种不同的算法进行处理，即三维空间与空间关系协作分析法，以上算法的优势如下：综合计算过程中，将转换构件理解成其中的一个环节进行计算。然而，由于转换层结构竖向刚度并非均衡状态，竖向部署容易发生明显改变，因此在结构部署上，必须遵循概念设计与力学概念进行处理，同时依靠过去的经验与实践成功案例，全面分析后为结构部署冗余杆件与加强点。一般来讲，高层建筑含有转换层的情况中，我们可以借助三维分析、平面有限元等程序完成计算工作。此处需要强调一点，转换大梁在其中尤为关键，必须成为设计的重点关注对象。对于工程设计而言，我们需要借助建研院提供的TBSA，TAT等软件进行大梁的分析设计，而计算上则可以将其理解成杆件，完成结构整体分析，根据上层结构作用至转换层的荷载，基于有限元法进行转换层与邻近平面的研究，最终确定配筋状况。

二、建筑转换层结构设计方案实例分析

某高层建筑工程，裙楼为商业用房，塔楼为住宅。由于根据其用途特性实现空间搭配，主要表现在主体中间环节，也就是电梯间、楼道等公用环节，可采用落地剪力墙核心筒进行处理，而其他环节应当选择合适的结构模式。遵照以上设计理念，二层顶应当选择结构转换模式，最终得到我们需要的结构类型。转换层上下楼层的结构布置如图1、图2。

3.1 结构类型选择

结构转换层方面，工程设计期间应当基于需求选择相匹配的类型，而本工程中，若是选择厚板转换层，因本项目处于7度设防区，转换层又位于地上三层，根据《高规》10.2.4条之规定，7度设防时，厚板转换仅在转换层位于地下室时方可采用。且转换厚板造價高，施工困难，受力状态较为复杂，传力途径不明确，使得建筑物在转换层处出现刚度的突变，使得转换层产生的内应力较大，不适用于多震地区。但是选择箱形转换时，便可以消除以上不足，这种转换方式可以保证结构的完整性，上、下竖向构件与上层结构部署没有直接关联。但是其内力分析过程烦琐，转换层施工有一定难度，施工较为困难且造价过高。因此选择梁式转换层结构设计方案更为合理。

3.2 转换层结构布置

在本项目中竖向转换构件的布置有以下特点：（1）在建筑四周转换柱两侧布置短肢剪力墙，中部设置与上部结构剪力墙贯通的核心筒作为主抗侧力构件。建筑四周转换柱两侧布置剪力墙的目的有两个：一是提高剪力墙承担的地震剪力的比例；二是提高结构整体抗扭转的能力。并且有利于减小框支柱的轴力，控制框支柱轴压比≤0.6。（2）落地墙厚度设为600，控制转换层上部与下部结构的等效刚度比不大于1.3，并尽量接近1.0。

转换梁的布置应该传力直接明确，尽量避免采用二次转换，但在此工程中，上部空间划分为住宅空间，因此为满足设计要求，就需要设置置转换主梁和次梁，并且为满足建筑功能要求，加设了部分短肢剪力墙。转换梁的布置需特别注意以下两点：

在上部墙肢或者转换次梁靠近转换柱较近时，转换梁端部会产生较大剪力；

上部剪力墙不能居转换梁中线布置时，转换梁也会产生很大扭矩；

问题（1）可通过梁加腋（包括水平或竖向加腋），或局部加大梁截面的方式处理；问题（2）可通过增加次梁、增加转换梁宽度、水平加腋等方式解决。

3.3 计算分析结构

在对建筑结构计算分析时，其计算选择的合理性直接影响到计算结果准确性及可靠性。在此工程中选用的就是以墙元模型模拟剪力墙的SATWE空间有限元软件。根据经验初步选定转换梁截面，用SATWE进行结构整体计算，得到转换梁所受设计剪力后，按照该值不大于0.15fcbh/0.85校核截面尺寸。对转换梁不仅有强度要求，也有刚度要求。本工程转换层的层高为5.8m，转换梁的最大净跨度为7.5m，大梁截面尺寸为800mm×1800mm，1000mm×2000mm，1200mm×2200mm。梁宽度不小于上部墙体厚度（200mm），梁高度大于梁跨度的1/6，均满足要求。根据轴压比确定框支柱主要截面尺寸：1000mm×1000mm，1200mm×1200mm。

根据SATWE的计算结果，并采用FEQ进行有限元对转换构件进行分析复核。

结语

总而言之，建筑工程设计行业是推动我国现代化建设至关重要的产业类型，在建筑工程中，结构设计方案的分析与优化对建筑结构整体的结构性能与建设成本的控制有着重要的意义。转换层是上下不同结构体系的衔接部位，刚度突变、应力集中，因此在结构设计时首先对转换层结构方案进行深入分析与研究对结构安全有着重要作用。

参考文献

[1]熊进刚，吴晓莉，陈礼建，等.有梁式转换层的高层建筑结构设计与研究[J].工业建筑，2011，31（6）：34-36.

[2]李艳娜，李兰英，吴庆荪.高层建筑中梁式转换层的设计[J].中州建筑，2008（1）：44-47.