转换层结构设计浅析

【摘要】转换层是建筑物内部不可或缺的重要结构之一，转换层一般指建筑物某楼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。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。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，称结构转换层。

【关键词】建筑转换层;结构设计;地震作用

1、转换层的结构布置

底部带转换层的建筑结构，转换层上部的部分竖向构件不能直接连续贯通落地，因此，必须设置安全可靠的转换构件。按现有的工程经验和研究结果，转换构件可采用转换大梁，绗架，空腹绗架，斜撑，箱型结构以及厚板等形式，形成诸如梁托柱，梁托墙等结构形式。

带转换层的筒体结构的内筒应全部上，下贯通落地并按刚度要求增加墙厚，框支剪力墙结构要有足够的剪力墙上，下贯通落地并按刚度比要求增加墙厚，长矩形平面的框支剪力墙结构，抗震设计时，其落地剪力墙的间距按相关规程适当加严，比原规程增加了限制落地柱周围的楼板不应错层的规定。规范给出了部分框支剪力墙结构的框支层楼板剪力设计值：Vf≤（0.1fc*bf*tf）/γRE

及框支层楼板与落地剪力墙交接截面的受剪承载力，参考如下：Vf≤（fy*As）/γRE

通过加大转换层以上剪力墙连梁尺寸，增大连梁刚度，使结构顶点侧移减小，实际工程中，还应重视概念设计和构造措施的保证，另外还应重视延性设计。

2、转换层高层建筑结构的抗震设计

带转换层的高层建筑结构中，由于设置了转换层，沿建筑物高度方向刚度的均匀性受到很大破环，转换层结构竖向承载力构件不连续和墙、柱截面的突变，导致传力路线曲折、变形集中和应力集中，因此转换结构的抗震性能较差。

现行规范规定，9度设计时不应采用带转换层的结构。抗震设计时，高位转换对结构受力十分不利。计算分析说明，在水平地震作用下，倾覆力矩分布曲线在转换层处呈现转折，转换层下部是以剪力墙为主的框架-剪力墙结构，落地剪力墙所分配的倾覆力矩由转换层往下递增较快，而支撑框架的倾覆力矩递增很少。要正确判定转换结构的抗震等级，尤其确定薄弱层地震剪力时，乘以适当的增大系数，地震剪力调整等。

此外，转换层处，框支剪力墙的大量剪力通过楼板传递给落地剪力墙，这也是倾覆力矩曲线呈现转折的原因。当转换层位置较高时，剪力分配和传力途径亦发生急剧的突变，落地剪力墙更容易产生裂缝，框支剪力墙在转换层上部的墙体所受的内力很大，易于破环，转换层下部的支撑框架更易于屈服，從而容易形成几个薄弱层。

因此，为保证设计的安全性，规定部分框支剪力墙结构转换层的位置设置在3层以上时，其框支柱、剪力墙底部加强部位的抗震等级宜按高规规定提高一级采用，已经为特一级时不再提高，提高其抗震构造措施，而对于底部带转换层的框架-核心筒结构和外围为密柱框架的筒中筒结构的抗震等级不必提高。底部带转换层的高层建筑在我国已大量建造，但至今未经受到大地震的考验。转换层上部楼层的部分竖向构件不能连续贯通至下部楼层，因此，转换层时薄弱楼层，其地震剪力需乘以1.15的增大系数。规范给出了框支梁节点区的钢筋锚固方式，如图1：

设计中不要误认为只要楼层侧向刚度满足要求，该楼层就不是薄弱层。对转换层的转换构件水平地震作用的计算内力需调整增大，8度抗震设计时，还应考虑竖向地震作用的影响。转换构件的竖向地震作用，可采用反应谱方法或动力时程分析方法计算，作为近似考虑，也可将转换构件在重力荷载标准作用下的内力乘以增大系数1.1.

规范给出了部分框支剪力墙高层结构在地面以上的大空间层数，参考下表1：

高规中对框支柱的内力增大幅度比较高;转换层位置在3层及3层以上的结构对抗震更为不利，其内力增大幅度也适当提高。高层建筑转换层结构是一种受力复杂的不利抗震的结构，规范规定，抗震设防烈度9度（0.4g）时不应采用。带转换层高层建筑结构的抗震设计可根据设防烈度、结构类型、构件种类和房屋高度，采用相应抗震等级进行相应的计算和采取相应的构造措施。

3、正确计算转换结构的上下层刚度比

高层建筑结构的转换层的上下楼层的刚度比是结构设计中的一个重要问题，考虑不周易造成安全隐患。转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比计算时宜综合考虑各构件的剪切、弯曲和轴向变形对结构侧移的影响。当转换层设置在3层及3层以上时，其楼层侧向刚度尚不应小于相邻上部楼层侧向刚度的60%。这一规定是为了防止出现转换层的下部楼层刚度较大，而转换层本层的侧向刚度较小。此时应分别计算等效侧向刚度比和转换层本层与转换层相邻上部楼层侧向刚度比，设计中应同时满足上述两项条件。与此同时，转换层上下层主体结构的剪切刚度比在下列两种情况下按下述取值：

3.1扩大外围柱距的框筒结构或内部抽柱的框架结构

此种情况下剪切刚度比应取1，即保证上下层剪切刚度不变。此时建议转换层以下采用钢骨混凝土或钢管混凝土;

3.2底部大空间剪力墙结构

此时底部刚度显著减小，控制转换层上下剪切刚度比，当底部为一层时，宜接近1，非抗震设计时不应大于3，抗震设计时不应大于20

总结：

转换层是建筑物内部不可或缺的重要结构之一，转换层一般指建筑物某楼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。高层建筑多为低层商用，上部住宿的多功能要求，在低层商用要求的大空间与上部住宿要求的多墙多柱的小空间之间，往往需要采用一定的结构形式进行转换处理，即加设转换层。转换层常用的结构形式包括梁式、空腹桁架式、斜杆桁架式、箱形和板式。另在房屋设计中如上下两层平面功能不同，亦对楼板墙体等进行结构加强，做转换处理。做好建筑转换层的结构设计，对完善建筑物的使用功能，确保建筑物的使用安全有重要意义。

参考文献：

[1]唐兴荣.《高层建筑转换层结构设计与施工》[M].北京：中国建筑工业出版社

[2]《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010

[3]《建筑抗震设计规范》GB50011-2010

作者简介：

张春艳（1983.03--），性别：女，民族：汉，籍贯：内蒙古商都人，学历：硕士研究生，现有职称：中级工程师，研究方向：结构工程。