建筑结构设计中转换层设计的应用研究

文／李天楹、周浩、丛玉莎 山东省建筑设计研究院有限公司 山东济南 250000

引言：

当前，我国城市化建设进程不断加快，作为重要的基础设施建设项目，建筑工程的建设数量不断增多。转换层是建筑物中的一个特殊结构，其目前主要应用在高层建筑中。为确保建筑工程的整体质量，建筑结构设计中，应高度重视转换层设计，确保转换层的使用性能。

1.转换层

转换层是建筑中的一个特殊楼层。当下，高层建筑、大体量建筑、复杂结构建筑的建设数量不断增多，很多建筑的上、下楼层在使用功能方面存在一定的差异，例如上层居住或办公、下层商用等。上、下楼层的使用功能不同，通常情况下建筑结构也会有所不同。例如，上层居住或办公一般是小空间结构，而下部商用一般是大空间结构。为确保上部结构、下部结构之间的承接，保障建筑物的安全性、稳定性，需要采用转换层，从而实现有效转换。

建筑中，转换层起到了“承上接下”的作用，对于上部结构来说，转换层是基础，而对于下部结构来说，转换层是封顶[1]。从这一角度考虑，转换层是上部结构、下部结构之间的联结关节。对转换层的功能与作用进行分析发现，其主要是用于对建筑的外力荷载进行转换，鉴于此，转换层既要承受来自于建筑物本身的重力荷载，又要支撑建筑物下部的悬挂构件荷载。

在建筑物中，可以把转换层当作是一个垂直转换结构，其主要特征包括：第一，构件截面积相对较大，这就使得转换层有着较高的强度、刚度；第二，转换层的内力很强，可以同时承受下层悬挂力、上层重力；第三，转换层的跨度相对较大，可以增加垂直挠度。

2.建筑结构设计中常见的转换层类型

2.1 箱式转换层

建筑结构设计中，箱式转换层是一种比较常见的转换层，其组成部分主要包括单箱托梁与双向托梁。对箱式转换层进行分析发现，其主要的优点包括可以确保结构的完整性、可以提升结构受力的均匀性、可以增强转换层的刚度。但是，箱式转换层有着较多的缺点，主要包括：第一，箱式转换层的内力构成较复杂，同时箱式转换层垂直向构件剪力墙，容易与各种设备、管线等发生重叠，从而增加施工难度、施工成本；第二，上层结构复杂程度较高的状况下，如果使用箱式转换层，则会严重影响到垂直方向的外力传递；第三，箱式转换层的楼层空间占用量较大，可能会给楼层的使用功能造成一定的不利影响。由于箱式转换层有着上述一系列缺点，所以其在实际应用中存在着一定的局限性。

2.2 厚板厚梁式转换层

厚板厚梁式转换层也是建筑结构设计中比较常见的转换层之一，其使用的主要材料为混凝土。建筑结构设计中，如果只使用传统托梁，则很可能无法满足转换层的承托功能。之所以出现这样的现象，主要原因是，一些建筑的上、下层柱网分布均匀性较差，而且其轴线分布比较复杂，如果想要实现转换层承托作用的增强，便要将托承板的厚度适当增加[2]。厚板厚梁式转换层便是在这样的背景下被研发出来的。在实际开展建筑结构设计的时候，如果使用的是厚板厚梁式转换层，那么在布置上层柱网的时候可以适当降低要求。但是，厚板厚梁式转换层也有一定的缺点，主要包括：第一，厚板厚梁式转换层的承力柱墙上通常情况下需要设置配筋，并要确保拥有良好的纵向承载力；第二，厚板厚梁式转换层在混凝土结构上的缺陷也很典型，如容易产生裂缝等，严重损害了厚板厚梁式转换层的使用寿命；第三，厚板厚梁式转换层的传力路径比较模糊，在对厚板厚梁式转换层进行设计的过程中，难以采用有限元分析法进行计算分析。

2.3 梁式转换层

建筑结构设计中，梁式转换层也比较常见，其是借助垂直传递外力将墙转换为梁柱[3]。梁式转换层的主要优势是可以使结构的承载力得到大幅度提升、外力传递效果较好、传递路径较清晰，同时，梁式转换层的实际设计难度相对较低，内力分析和计算均比较简单容易。基于此，梁式转换层目前在建筑领域得到了十分广泛的应用。梁式转换层的作用原理是，在建筑的下部设置转换梁，使上部剪力墙落在框支梁上，框支梁则是由框支柱支撑。建筑结构设计中，在实际采用梁式转换层的过程中，应注意以下几点：第一，转换梁截面设计。不同的转换梁，对其截面的要求也不同。主要包括：针对承托上部墙体的转换梁，若是其为满跨不开洞的转换梁，那么上部墙体与转换梁两者是共同工作的关系，转换梁的破坏形态与受力情况均表现为深梁。在对托墙式转换梁进行截面设计的时候，可按照深梁截面、应力截面进行设计。针对承托上部普通框架的转换梁，在常用截面尺寸中，其与普通梁的受力情况是一致的，应根据普通梁截面，来对转换梁截面进行计算。第二，上部框架设计。做到强柱弱梁，梁端必须能够产生塑性铰，针对受力比较复杂的部位，即应力集中点，如转换梁上层框架的梁柱，以及主要薄弱点，如梁式转换层与转换梁相连接的柱，应结合实际情况进行施工模拟计算。第三，转换梁构造设计。对剪压比进行准确计算，根据计算结果，对转换梁截面积进行合理确定；无必要的情况下，不可在转换粱上开洞，必须开洞的情况下，则要严格控制开洞的位置，以梁中、轴处为宜，并要在洞口上、下弦杆处进行加密箍筋，以提高开洞位置的抗剪能力；转换粱有接头，则接头部位应机械连接，但需要注意，接头不可存在于受力集中位置、梁上托柱位置以及上部剪力墙开洞位置；非抗震设计的情况下，上、下主筋的配筋率应≥0.3%；转换梁的混凝土等级要在C30 以上；钢筋接头面积在同一截面的情况下不可超过主筋截面面积的50%[4]。

2.4 桁架式转换层

桁架式转换层也是建筑结构设计中的一种常见转换层，其是在梁式转换层的基础上产生的一种新型转换层，主要承重结构为榀量较多的钢筋混凝土桁架。桁架式转换层的上层，主要是设置上弦杆，而桁架式转换层的下层，主要是设置下弦杆，同时各层之间往往还需设置上腹杆。与梁式转换层相比，桁架式转换层的性能更加优越，主要体现在以下几个方面：第一，桁架式转换层的桁架十分之高，能够在很大程度上减少下弦杆的截面积，因此有利于提升空间利用率和丰富转换层的使用功能；第二，桁架式转换层的整体性良好，且力的传播路径明晰，因此可以大大降低实际设计难度；第三，桁架式转换层的重力较小而承载性能较高，因此可以大大增强管道安装后的抗震性能。但是，桁架式转换层也有一定的缺点，主要包括：第一，在实际设计过程中，需采取强斜腹杆、强节点的设计方式，所以其节点荷载易受各种因素的影响；第二，楼层不高的情况下，斜压腹杆容易成为超短柱，而无法有效满足抗震性能要求。

3.建筑结构设计中转换层设计的要求

建筑结构设计中，在实际开展转换层设计的时候，应做到以下几点：第一，加强对不同楼层之间的受力控制，采取科学方法切实保证受力结构的稳定性；第二，将转换层的位置设置在稍低处，其原因在于，如果转换层位置过高则容易导致下部悬挂荷载超重，进而导致转换层压力增加；第三，根据建筑结构形式和受力状况合理选择外力传递模式，并进行精准的应力计算；第四，要加强转换层刚度控制，既不能使其刚度过大、也不能使其刚度过小；第五，结合实际情况合理选择转换层的形式，确保转换层能够充分发挥其作用，符合建筑实际需求；第六，提升建模工作质量，将详细设计数据及时上传，然后依据结构设计图纸按一定比例进行输出；第七，至少采用两种计算模型来计算整体结构，对结构弹塑性、抗震能力、载荷能力等参数进行合理分析。

4.建筑结构设计中转换层设计的要点

4.1 做好计算工作

建筑结构设计中，计算工作是转换层设计中的一个要点内容，根据相关标准的要求，应采用两种不同的计算模型来进行整体分析，并充分发挥出现代先进计算机软件的作用。例如，在对转换层变形状况进行分析的时候，可以采取反应谱法、动力弹塑性法两种方法，借助科学、有效的结构模型，准确判断转换构件的受力情况、变形情况。在地震作用下的结构参数计算中，需采用弹性时程分析法。在完成整体性计算后，还需对个别比较复杂的受力构件进行局部性分析，以相关公式来核实和验算其结构参数。转换构件不同，则要使用不同的结构模型，应根据实际情况、相关规范标准要求，合理选择相关方法，科学计算结构模型。例如，局部补充计算过程中，如果采用的是有限元方法，则至少要取两层上部主体结构进入结构模型，同时计及实际结构三维空间盒子效应以及所有楼层楼盖平面、梁式转换层的刚度，通过使用符合实际边界条件的计算模型，来提高计算工作的效果。除此之外，建筑结构设计中，一般情况下会涉及到裙房，在计算时要对地基、基础及上部结构的共同作用进行综合分析，根据裙房与主体结构间的沉降差值来选取合理的设计方案，最大限度规避不均匀沉降对转换层的影响。

4.2 剪力墙设计

为提高建筑的抗震性能、刚度、延性、强度等各项性能达标，建筑结构设计中在对转换层进行设计的时候，应前瞻性地对上部结构进行弱化处理，对下部结构进行强化处理，从而使两者的变形特征、刚度保持一致，避免薄弱层的存在[5]。对于建筑来说，在切实满足建筑布局条件的基础上，应当尽量使上部剪力墙可以落地，以保证竖向构件的连续性。实际开展剪力墙设计的时候，应注意以下几点：第一，为实现下部结构的强化，可采取使用高强度等级混凝土、在周边布置部分剪力墙、提高落地剪力墙厚度等措施；第二，剪力墙不能落地的情况下，可以采取开洞、开口、减小厚度等处理措施，以此来弱化上部结构；第三，应对落地剪力墙进行合理设计，适当增加剪力墙厚度和减少其开洞数量，且要将洞口布置在墙体中部，保持均匀性，以增强下部结构。

4.3 结构体系设计

在建筑物中，转换层属于竖向不规则结构，为提升建筑的均匀性，要尽量使转换层的刚度对称。建筑结构设计中，应全面考虑各方面的影响因素，并制定有针对性的处理措施，以确保转换层设计质量。可以从以下几个方面入手：第一，应充分考虑到抗震布置要求，对转换层结构构件进行科学布置，尽可能降低扭转对结构稳定性造成的影响。第二，应加强对框支柱的合理布置，结合实际情况重新分配地震力，确保截面尺寸＞框支梁的1/12、楼板厚度≥180 mm、垂直方向钢筋配筋率达到1%，以增强转换层的抗震性能。第三，转换层的最终层数需根据实际抗震设防烈度来进行确定，抗震设防烈度为8°时，转换层不得超过地面3 层；抗震设防烈度为7°时，转换层不得超过地面5层[6]。

4.4 构件配筋设计

建筑结构设计中，在开展转换层设计的时候，应高度重视构件配筋设计。转换层设计常常涉及到梁、柱、墙等多种构件，这些构件在受力方面具有不同的特性。梁主要受弯矩作用，因此其配筋应注重横向的受力性能；柱主要承受轴向荷载，因此其配筋应注重纵向的受力性能；墙体由于同时具有抗弯和抗剪的功能，因此其配筋设计则需要综合考虑这两种受力情况。在实践中，应当根据构件的受力性质，有针对性地进行配筋设计，以确保结构性能。具体来说，第一，应明确落地剪力墙的重要作用，通过科学的配筋构造方案来对其进行设计，确保水平与垂直方向的钢筋配筋率都＞0.3%；第二，在垂直向负荷构件框支柱的设计中，要把握其延性要求，合理确定轴压比限值，从而提升配箍率；第三，在框支层楼板的设计中，也要提升配筋的合理性，充分发挥出双层双向配筋的优势，确保每层每向的配筋率都＞0.25%[7]。除此之外，构件的受力特点也决定了配筋设计的方向。

4.5 竖向布置

在开展转换层设计的时候，应对竖向结构进行精细布置，从而实现上下结构传力途径的优化、满足建筑物的功能需求、避免高位转换现象、保障建筑整体结构的可控性与稳定性。与此同时，应严格控制转换层的高度。不同功能区域的楼层高度可能存在差异，这涉及到建筑的使用功能和空间需求。例如，办公区域可能需要相对较高的楼层，而公共区域可能需要更为通透和宽敞的空间。竖向布置要在满足功能需求的同时，保持建筑的整体协调性，形成统一的建筑形象。如果转换层的高度过大，则可能出现刚度突变的问题，影响框架剪力墙结构的受力途径，威胁整体建筑结构的稳定性。再者，对转换层竖向结构进行设计的时候，应对底部带转换层的建筑结构进行规范设置，避免竖向构件出现连续贯通的现象。但是，如果建筑结构的实际功能要求应用到高位转换，便要对剪切、弯曲、变形等结构的刚度进行仔细分析，在最大限度上控制层间内力，以确保建筑结构的稳定性。此外，竖向布置还应充分考虑垂直荷载传递的效果。建筑在使用过程中会受到来自楼板、墙体、设备等多个方面的垂直荷载，而转换层需要有效地将这些荷载传递到下方的结构系统中。为了保证稳定性，竖向布置要合理设置支撑柱或墙体，以确保垂直荷载能够均匀分布到底层结构中，减小结构的承载压力。

4.6 抗震设计

在地震频发的当下，人们提高了对建筑结构抗震性能的要求，一些设有转换层结构的建筑物，如果没有做好抗震设计，则可能出现竖向刚度受力不平衡、传力刚度下降、承载力分布不均、结构变形等问题。面对这样的情况，应重视转换层的抗震设计。具体来说，抗震设计的第一要点是确定地震力的传递路径，确保这些力能够有效地通过转换层传递到地基，减小对建筑的不利影响。其次，结构材料的选择和使用也是抗震设计的关键方面。在转换层设计中，通常采用高强度、高韧性的建筑材料，如钢和混凝土。这有助于提高结构的整体抗震性能，使其能够更好地吸收和分散地震力。同时，还应确保转换层的材料具有良好的延性，以避免因地震引起的裂缝和破坏。另一方面，适当的结构形式和几何形状也是抗震设计的重要考虑因素。转换层的形式应具有足够的刚度和韧性，以抵抗地震力的作用。通常采用筒状或框架结构，以提供足够的刚度，并通过适当的几何形状分散地震荷载，降低结构的振动响应。此外，高位转换容易导致上、下楼层的结构受力不均，这样的情况下，如果出现水平地震，则会导致剪力墙的荷载过大，降低整体结构的支撑力；高位转换层的传力途径如果被堵塞，则会导致下层剪力墙的受力传递困难，引起刚度突变问题，甚至导致裂缝的出现，变成薄弱层[8]。鉴于此，转换层设计中，应尽可能地避免高位转换。在实践中，应充分考虑转换层类型、高度等因素，制定科学、合理的设计方案；如果必须选择高位转换层，应提高其抗震等级，重点加强支撑、剪力墙、框架的抗震性能，避免薄弱楼层的出现；转换层下层剪力墙主要通过楼板将受力传递到落地剪力墙上，应避免力堆积过大引起刚度突变问题。

结语：

综上，建筑结构设计中，应高度重视转换层设计，结合实际情况，对桁架式转换层、厚板厚梁式转换层、梁式转换层、箱式转换层等进行合理选择，明确转换层设计的要求、做好计算工作并把握好剪力墙设计、结构体系设计、构件配筋设计、竖向布置、抗震设计等要点，从而保障转换层设计水平，为实现建筑整体质量的提高奠定良好基础。