关于带转换层高层建筑结构设计方案探究

关于带转换层高层建筑结构设计方案探究

于志华

哈尔滨工业大学建筑设计研究院

引言：随着我国市场经济的迅速发展，各地高层建筑越来越多，功能趋于多功能化。而在现代化建筑工程中，商住建筑一般都是通过转换层来满足要求的，转换层高层建筑是未来建筑行业发展的必然趋势。如何进行转换层的设计成为建筑设计单位面临的巨大挑战。

一、转换层及转换结构构件概念

设置转换结构构件的楼层，包括水平结构构件及其以下的竖向结构构件，称为转换层。完成上部楼层到下部楼层的结构形式转变或上部楼层到下部楼层结构布置改变而设置的结构构件，包括转换梁、转换桁架、转换板等称为转换结构构件。带转换层高层建筑结构能够充分的满足不同的建筑使用功能，下部大空间常应用于商业网点（例如银行、商场等），上部小空间一般为住宅、公寓、酒店等。

二、带转换层高层建筑结构的特点

带转换层高层建筑结构的转换结构构件在整体结构中起到了關键作用，既承担上部楼层竖向构件传递的重力荷载，又肩负着抵抗水平作用（主要为风荷载、水平地震）的重任，受力极为复杂。就整体结构而言，带转换层高层建筑结构的结构设计主要面对以下几个问题：？

1、刚度突变

因设置转换层，局部竖向构件不能落地而造成上部楼层和下部楼层刚度差异大，即刚度突变，在水平荷载作用下，这会导致转换层上部楼层和下部楼层结构构件内力突变，从而部分构件提前破坏，当转换层位置较高时，这种现象更加明显。

2、转换结构构件应力复杂

转换结构构件与相连接的构件之间的几何关系复杂，构件受力曲折，应力集中现象明显。

3、转换结构构件实际受力状态模拟难

转换结构构件受力复杂，边界条件不易把握，不同计算软件模拟构件的受力状态是有差异。正确模拟构件的实际受力状态非常重要。

三、带转换层高层建筑结构的整体设计原则

由带转换层高层建筑结构的特点，经过清晰的概念设计，结构方案合理的处理，不难意识到其设计原则，主要有以下几点

1、不落地剪力墙不可过多

在满足建筑使用功能的前提下，尽可能多的使上部剪力墙落地，从而控制刚度变化不致过大。尽量增大下部楼层的刚度（可通过增加墙厚或者增加墙长）;尽量减小上部楼层刚度，在满足结构必要刚度的前提下，可通过减小墙厚或者墙长，增加结构洞，减小连梁高度等方式。

2、转换结构构件进行详细分析

带转换层高层建筑结构应该进行三维空间整体分析，且应采用至少两个不同力学模型的结构分析软件进行整体分析;宜对转换层及相邻层（宜使转换层上下两个计算模型的高度相等或相近）进行空间有限元分析，并采用符合实际受力状态的边界条件;对转换层结构构件进行应力分析及应力配筋，确保结构设计准确。

四、带转换层高层建筑结构构件设计要点

1、优化高层建筑的转换层结构布置。据相关研究已经显示，在底部的转换层中，如果其位置越高，它的上下高度的突变就会越大，转换层的上下内力的传递途径，其突变也会加剧，落地的剪力墙以及简体就容易出现裂缝现象，框架的支柱内力加大，使得转换层的上部其附近的一些墙体就会被破坏。所以说，转换层的位置如果是过于高，就会对抗震产生不利的影响。按照相关的研究结果显示，转换构件能够运用箱形结构、斜撑、厚板、转换大梁等形式，在地震区对于一些转换厚板的使用经验是比较少的，可以在一些非地震区采用，在一些大空间的地下室中，因为其周围有着约束的作用，而地震的反应也低于上部的框支结构，所以，在7度到8度的地震设计的一些地下室就能够采用这种厚板转换层。

2、高层建筑的控制落地剪力墙的间距。高层建筑的转换层较差对于商住高层建筑没有积极的效果，反倒是加剧了大底层的多楼层的建筑框架，在这个设计中，高层建筑设计者最好在塔楼的转换层部位进行裙房的设置，加强高层建筑的梁柱，加大板截面的尺码，避免因地震而造成的极大伤害。在高层建筑的实际中已把抵御自然灾害的能力列为首要追踪的关键性问题，由于地震震感极强，在高层建筑的转换层设计上就要加强抵御震力的能力，对转换层的上下层次要做重新的设计，尽可能的把上下的竖向构架进行重新的分配，对楼板也要进行剪力的重新构造，减弱平面内的受力状况，加强地震剪力的安置，这是至关重要的，不可忽视。

3、强化高层建筑转换层抗震设计。为了进一步的保证设计的准确性与安全性，规定在一些框支剪力墙其转换层的位置如果是设置在第三层以上，那么框支柱以及剪力墙其底部的抗震等级要提高一级，如果已经是特一级就不再需要将其提高，而对于底部的框架来说，如果其外围为密柱框架，其抗震等级就不用再提高。转换层其构件在水平地震作用下的内力要将其调整，如果是八度的抗震设计，就要对竖向地震的影响需要考虑。

4、高层建筑转换层结构的过渡受力以及控制轴压比。高层建筑转换层的结构设计，楼层的梁面和柱面直接影响着转换层的竖向负载能力以及构架的内力，在高层建筑施工期间，对施工的进度和时间也有一定影响，尤其是在转换层构架与若干层构架同时出现在施工阶段的时候，这个构架的内力变化尤为突出，若不及时采取措施，必会因为施工阶段转换构件的过渡受力而影响高层的进度，造成高层建筑施工延时延工。高层建筑中转换层轴压力的承受力主要受框支柱所支撑，转换层以上的墙体垂直负载和水平负载差不多都能借助板平面内的刚度传递给落地剪力墙，所以还要注意轴压的比率，尽量控制这个比率。

五、转换层位置要求

带转换层高层建筑结构转换层位置不宜过高，位置较高时，易使转换层附近的刚度、内力突变，形成薄弱层，同时落地剪力墙容易开裂、屈服，不利于抗震。为了进一步的保证设计的准确性与安全性，框支剪力墙其转换层的位置如果是设置在3层及3层以上时，框支柱、落地剪力墙其底部加强部位的抗震等级宜提高一级，已为特一级不再提高。对于托柱转换结构，因其受力情况和抗震性能比部分框支剪力墙结构有利，抗震等级可不做提高要求。

结论

目前高层建筑施工中对转换层进行设置是必不可少的一道设计工序。带转换层高层建筑结构要达到预期的效果，就必须注意到每个环节的重要结构，合理选择建筑的转换层结构模式，使转换层的强度、刚度、抗震能力得到加强提高，合理优化结构设置，加强主要构件的设计，使整个转换层的高层建筑结构实现安全、经济、适应等方面的综合指标。

（1）在现代高层建筑的转换层结构中，因其应用功能的多样化而使建筑物结构传力体系复杂化，在结构设计时应按规范要求并根据现场条件做好分析计算和优化设计，尽可能将影响建筑物使用功能的诸多因素考虑进去，以达到科学经济的设计目的。

（2）转换层结构的高层建筑受力复杂，在严格控制层等效剪弯刚度比及层侧向刚度比的前提下，采取有效的结构构造措施，在地震区，采用转换层结构是解决复杂平面及体型转换的一种行之有效的方法。

参考文献

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