高层建筑结构转换层的结构设计探究

陈亮

摘要：现代高层建筑的风格多变，在为了实现建筑在功能上的多样化，需要设置结构转换层，在设计高层建筑结构转换层时应在并兼顾建筑安全性的前提下，使建筑风格和谐，空间利用率高。本文主要分析了高层建筑结构转换层的特点、类型以及设计要点。

关键词：高层建筑；结构；转换层；设计

随着我国经济的发展，人民生活水平的提高，连带着建筑行业也异常火爆。目前出现在城市中的高层建筑大部分是上部分民用住宅楼层，下部分是商业用途楼层。因为民用住宅楼层其房间小且形式多样化，利用比较自由，而商业用房面积比较大，所以上下墙体不一致，就产生了带转换层的高层建筑。下面就浅谈一下高层建筑结构转换层的结构设计。

1.概述高层建筑结构中的转换层结构

1.1加强高层建筑转换层结构设计的必要性

为了更好地设计高层建筑的转换层结构，作为设计人员对高层建筑的转换层结构有一定的认识，并通过查阅相关资料，总结设计过程中出现的问题和不足，在设计过程中尽可能地结合工程实际进行针对性的设计，才能最大化的确保设计的有效性。因此，在此基础上，必须对转换层的定义有一个基本的认识。那么什么是转换层的结构呢？

1.2关于高层建筑转换层结构的定义的分析

随着城市化进程不断的加快，城市土地资源的日益稀缺，高层建筑已成为我国建筑事业发展的重大趋势，而作为新时期背景下的高层建筑转换层结构设计人员，往往为了满足当前人们对建筑功能需求日益增长的现状下，给建筑留下更大的内部空间，促进建筑网状的扩大而降低墙体的修建规模，且为了在建筑结构的上层开设小空间，就必须利用多层墙体而实现，但在实际设计过程中，很多设计人员会发现，由于竖向杆件难以贯通接地，这就难以达到高层建筑结构与功能的衔接，此时就必须利用水平转换结构连接下部的竖向杆件，以此来满足高层建筑对各项功能的需要，而采用的这一建筑结构就是转换层结构[1]。

1.3转换层结构在高层建筑结构中的重要作用分析

通过上述分析，我们对高层建筑的转换层结构的概念有了一定的认识，那么高层建筑的转换层结构有哪些功能呢？通常情况下，一般有以下几种：一是在上下层结构的转换过程中设计，此种结构转换形式主要在剪力墙结构和框剪结构之中，从而创造出较大的内部自由空间，二是在上下层柱网以及轴线变化时应用，虽然转换层的结构没有出现变化，但利用其将下层结构构成较大的柱网，因而主要在下层入口较大的外框筒应用；三是转换结构的形式与轴线的布置，从而在上下层结构中形成不对称的结构。

2.结构转换层的类型及设计方法论述

高层建筑结构转换层可以分为四种类型：梁式转换层、厚板式转换层、箱式转换层和桁架式转换层。

2.1梁式转换层

特点：梁式转换层分为托柱形式转换梁截面设计和托墙形式转换梁截面设计，这两者是按功能不同来进行划分的。

（1）托柱形式转换梁截面设计。当转换梁承接的是上部的普通框架时，可以按照普通的截面设计进行配筋计算，因为这时的转换梁承受的力基本上和普通梁承受的力是一样的，但是，当转换梁承受的是上部斜杆框架时，就应该按偏心受拉构件进行截面尺寸设计，因为，此时的转换面承受的是轴向拉力。

（2）托墙形式转换梁截面设计。在转换梁的施工过程中，力学问题是一个关键问题，必须要予以重视，当转换梁承受上部的墙体是小墙体时，要采取普通梁的截面设计方法进行配筋计算，且纵向的钢筋也可以放置在转换梁的底部，像普通梁那样布置就可以了；当转换梁承受的是上部墙体且满跨不开洞时，转换梁应采取的截面设计方法是深梁截面设计方法，它的受力特点和破坏形态表现为深梁，不过此时的转换梁跨中较大范围的内力较大，所以其纵向的钢筋就不应该弯曲或者截断了；当转换梁承托上部墙体满跨或者不满跨时，但是剪力墙长度比较大时，应该采取的转换梁设计方法是深梁截面设计方法。

2.2箱型转换结构

当转换梁的截面较大时，可以在转换梁的梁顶和梁底同时设置一层楼板，遍布全层，使得整个楼层都构成“箱子”形式，也因此被称为“箱型转换层。

箱型转换结构也是高层建筑设计中较为常用的一种结构形式，在设计过程中主要要注意支撑体系的合理设置，这是保证建筑施工质量的重要前提，主要特点有：层高大、自重大、混凝土强度高、结构受力比较复杂、墙柱模板支设困难等，主要优点是转换层本身的整体性非常好，但是，它也有其缺点，就是它直接占用了整个楼层的面积，使得这个楼层不能再有其他用途，只能当做设备层使用，还有一个缺点就是上面所提出的自重大、造价高，这也是在实际应用当中很少使用的原因。

2.3厚板式转换层

这种厚板厚梁式转换结构主要优点是布置灵活，整体性比较好，当上、下柱网线错开比较多很难用梁来承托时就需要采取这种形式，做成厚板，厚板的厚度也可以根据上下的结构以及柱网尺寸而定，但是这种厚板式转换层的自重很大，地震作用大，耗费材料多，不仅耗费资金而且还容易发生震害，所以这种方法采用的也不是很多。

厚板式转换层可以采用TBSA等的三维空间分析程序对整体进行内力分析，主要是转换板的不规则边界，这样的一般会采用有效单元法进行内力分析，还可以采用复杂楼板有限元分析软件进行进一步计算，还可以对板在收到竖向压力荷载的受弯和局部压力等的进行计算。

2.4桁架式转换层

桁架可以分为两种，一种是空腹桁架，另一种是实腹桁架，这种桁架式转换层主要是由梁式转换层结构转换而来的，与梁式转换层相比它的受力更加明确、整体性好、抗震能力强、框架支柱柱顶弯矩和剪力更加小一点，这是它主要的优点，但是缺点也比较明显，施工难度大，更加复杂、节点设计难度大。可以对其进行整体结构的内力分析，当高层建筑的下部为大商场时，需要的空间必须要大，上部则是居住办公等的小空间，在这时就可以采用桁架式转换层，特别是在需要设置管道时，更要采取这种方式，一般采用桁架式转换层时应该跨满层进行布置，而且上弦节点要与上部密柱中心对齐。桁架式转换层的重量比较小，所以也减小了下部框架的承重负荷。

3.高层建筑转换层的抗震设计

高层建筑要考虑的层面不是简单的舒适度这样的问题了，还要考虑抵御自然灾害的能力，因此在高层建筑的实际中已把抗震列为首要追踪的关键性问题。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。

对带转换层的剪力墙结构及带转换层筒体结构这两类转换结构，通过转换层上下层间位移角及内力变化情况的分析，可得出影响其抗震性能的主要因素，分别是：转换层设置高度、转换层上部与下部结构等效刚度比、转换层结构与其上层结构侧向刚度比。对带转换层筒体结构其主要影响因素表现为转换层上部外筒的刚度、转换层设置高度和内筒刚度对转换层位置较高的带转换层的剪力墙结构仅仅控制转换层上、下楼层的侧向刚度比是不够的，还应控制转换层上部与下部结构等效刚度比，转换层上部与下部结构的等效刚度比越大，转换层上下层间位移角及内力突变情况越明显，设计时应当加以控制，使其尽量接近于1，且不大于1.3。带转换层的筒体结构，如转换层上部的外筒为框架，一般情况下不会发生刚度突变，但建立传力途径的变化仍然存在。

4.高层建筑转换层的轴压比控制

高层建筑中转换层还要注意轴压的比率，尽量控制这个比率，我们知道，转换层的支梁和支柱在内交角的位置，有一个突出的应力表现情况，由于深受水平负载以及垂直负载的双重影响，柱子的横截面，柱子的剪力，以及柱子的弯矩在相对条件下较小，所以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，因此要严格控制框支柱的轴压比。例如，在一高层建筑实处，设计的方案是这样的：抗震设计时框支柱的轴压比小于0.6，砼的强度等级高于C20，但低于C30，采用螺旋箍围绕框支柱全高密度较小，箍筋直径要不足10，问距不足100mm，这个设计方案，在真正实行的过程中限制了柱箍筋配箍率，减弱了转换层柱的抗剪能力。因此要切合实际的对高层建筑进行科学的检测，确保万无一失。

5.结语

本文讨论的只是建筑转换层结构设计中的一部分内容，转换层设计是结构设计中的难点，还有许多需要研究的地方，有待进一步从实践中论证。随着现代高层建筑平面复杂多样化，在对转换层进行设计时应结合工程实际情况选择合适的方法，才能达到安全、经济的综合效果。

参考文献：

[1]覃永叙.有梁式转换层的高层建筑结构设计[J].中华民居（下旬刊），2013，09：36-37.

[2]杨涣玲.高层建筑中转换层结构的设计措施[J].中华民居（下旬刊），2013，04：41-42.

[3]董斌，谷洋，杨颖.高层建筑转换层结构设计[J].工程建设与设计，2013，07：27-29