带结构转换层的高层建筑结构设计初探

皇甫涛

（中交铁道设计研究总院有限公司 北京 100088）

引言

现阶段，我国很多高层建筑均采用了带结构转换层设计，有利于提高建筑物的功能和性能，发挥其多元价值。但在进行结构设计时，一些设计师受专业技术水平、业主要求等因素的影响，难以保障设计质量，存在严重的安全隐患。因此，需要掌握结构设计的原则和要求，采取针对性的管理措施，以保障设计质量，避免出现安全隐患等问题。

1 浅析结构转换层的概况及设计原则

1.1 概况

通常情况下，当高层建筑的上下两部分存在使用功能差异时，往往会采用不同的结构设计方式，以满足各自的需求。在这种情况下，需要对该楼层进行结构转换，确保建筑物整体结构的稳定性。因此，这个楼层就是结构转换层。在探究结构转换层的功能时，可根据结构转换的实现方式进行分析，大致可分为以下三类：①转换结构类型。这种设计方式一般应用在框架剪力墙结构中，将上下部结构进行转换，有利于扩大内部空间。②柱网、轴线转换。该类设计方式并不会改变建筑的上下结构，而是增加了下层的柱距，使其形成网状结构，有利于扩大下层结构的入口空间。③结构形式、轴线规划同时转换。当对上部剪力墙结构进行转换时，需要同时改变下层柱距，以形成结构差异，促使上下楼层存在不对称的现象，从而满足不同结构的需求[1]。

1.2 设计原则

目前，我国结构转换层主要有以下几种类型，如箱型转换层、梁式转换层、桁架转换层、板式转换层等。设计师应根据实际工程需要，采用不同的结构类型，以保障高层建筑的结构设计质量。但还要遵循一定的原则：①做好数据的收集与计算工作，保障结果的精准性。②做好建模工作，将这些数据上传至计算机系统中，并按照一定的比例进行输出，确保建模设计效果，便于分析问题。③当对整体结构计算时，至少采用两种计算模型，合理分析高层建筑结构的弹塑性、抗震能力、载荷能力等，确保结构转换层设计质量。

2 探究带结构转换的高层建筑结构设计

2.1 工程实例

以内蒙古某住宅工程为例，该工程采用框支剪力墙结构体系。地下2层，地上24层，转换层位于地上3层。其中，1～3层为商业，层高分别为4.5m、3.9m、4.8m；4～24层为住宅，层高均为3m；该项目建筑高度约为76m，每个单体建筑的建筑面积约为1.6万m2。

地下2～3层结构按照框架剪力墙进行布置，为满足整体建筑的抗震性能，核心筒及四周部分剪力墙落地，中间部分为满足建筑商业需求，采用框支柱、框支梁等转换构件对上部结构进行转换。

2.2 方案设计

在进行设计时，需要考虑结构的类型，根据我国现有的结构转换层理念可知，主要包括箱型转换层、梁式转换层、桁架转换层、板式转换层等几种，都可以扩大下层结构的空间，以满足商业空间的需求。设计师在综合考虑传力、成本、效益、施工等方面的需求后，决定采用梁式转换层结构。主要是因为该结构类型有很多的优势性特点，如施工便利、受力明确、施工成本低等。同时，这种设计方式可以扩大结构内部空间，能满足管线的布置需求，具有较高的应用价值。

在设计转换梁截面时需要注意一些问题，首先应对转换梁的荷载能力、受力情况等进行分析，以采用不同的截面形式。当采用托柱型设计时，要考虑截面尺寸，并进行计算，从而优化配筋率。若采用托墙型设计时，其受力结构比较复杂，不仅要考虑结构转换层的受力情况，还要对上部墙体的分布、荷载情况进行综合考虑，确保结构的稳定性。同时，在对转换层构件进行设计时，需要考虑构件的竖向刚度情况，避免出现传力突变的问题。一旦发生地震时，若存在传力突变，会导致构件的薄弱区域产生一定的应力，影响了构件的质量和稳定性。因此，应根据该地区的地震灾害情况进行综合分析，按照Ⅶ级防震烈度的要求来提高构件的强度，确保水平力正常传递，保障高层建筑的质量和安全性[2]。

在进行转换结构设计之前，首先需要熟悉建筑的标准层（住宅层）的功能布局，尽量将剪力墙布置在建筑的外侧或核心筒；而室内部分尽量减少短支剪力墙的布置，采用长度较为适宜的中等尺寸的剪力墙进行布置。这种布置方式有以下几种好处：

①外侧剪力墙尤其是抗侧力较弱一侧的剪力墙布置位于建筑物外侧能有效减少建筑的层间位移比，提升建筑的抗扭转性能；②采用较少数量的室内剪力墙能做到传力简单、明确，能够将竖向荷载简单有效的传递到框支梁或框支柱上，并能避免结构的二次转换；③室内部分布置数量较少的中等尺寸的剪力墙能有效减少室内剪力墙的轴压比，并能提升建筑物的整体抗震、抗风性能；④合理布置剪力墙，协调转换层上下部结构之间的侧向刚度比。

在进行框支层平面布置方案设计时，需要考虑框支柱布局对上部剪力墙传力的影响，尽量将框支柱布置在上部剪力墙轴力传力较大位置。并考虑框支梁与框支柱的竖向刚度不同，避免因转换构件间竖向刚度差异影响上部剪力墙的安全性和稳定性。

2.3 整体结构计算

本工程采用PKPMV2.2结构计算软件。转换层楼板采用弹性楼板假定，并将结构转换层的梁进行模拟转换，使其成为独立的杆单元构件，若在对转换梁进行计算时，需要将其纳入到整体建筑结构计算中，并将上层楼板作为参考，避免结构转换层出现竖向刚度变化的问题。因此，首先要对楼板的数据信息进行分析，上部水平剪力在结构转换层的作用下，会逐步传递到下层结构中来，会加大楼板的荷载压力。因此，需要对楼板进行加厚处理，有利于平均分配上部结构传递的水平剪力。另外，还需要利用软件来计算上下部结构的竖向刚度，促使楼板可以均匀受力，防止出现薄弱层等问题，确保计算的精准性[3]。

经过计算，本工程主要技术指标如下：①楼层竖向构件最大水平位移与该楼层位移平均值的比值1.22；②结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1的比值0.75；③楼层侧向刚度与相邻上层的比值0.98；④楼层侧向刚度与相邻上三层平均值的比值1.23；⑤抗侧力结构的层间受剪承载力与相邻上一层的比值；⑥短肢剪力墙承受的倾覆力矩与结构底部（或楼层）总地震倾覆力矩的比值0.22。

计算结论：整体建筑的各项安全性指标都能完全满足规范要求，整体结构安全可靠。

3 结束语

在市场经济的发展下，人们的生活水平得到了快速提高，对房屋也有了更高的需求。尤其是对于带结构转换层的高层建筑来说，应满足结构的多元需求，发挥其综合效益价值。对此，本文以内蒙古某住宅工程为例，对工程的特点进行了分析，应从方案设计、整体结构计算等方面进行分析与设计，以保障结构转换层设计质量，从而推动我国建筑事业快速发展。

[1]解雪松.论述带结构转换层的高层建筑结构设计[J].建材与装饰，2017（45）：87～88.

[2]董汉钢，温永坚，唐道伟.解析带结构转换层的高层建筑结构设计[J].低碳世界，2017（28）：174～175.

[3]王军星，李红瑞.对高层建筑结构转换层结构设计要点问题的再探讨[J].中国新技术新产品，2014（22）：110.