转换结构的概念设计浅析

韦晓亮

摘要：现代城市建筑中为满足建筑功能要求而采取的转换结构形式，有框支转换、托柱转换、斜撑转换、搭接柱转换等。各种转换结构形式都有其自身的优缺点，本文针对常见转换形式做了一定的分析,供同行批评指正。

关键词：转换层；受力状态；传力方式；刚度突变；抗震性能

进入21世纪以来，我国建筑行业蓬勃发展，城市中高楼耸立，各种各样的建筑层出不穷。有些建筑由于功能的需要（如底部为大厅、餐厅、商场，而上部为公寓、办公楼、住宅等），需要在建筑底层或底部数层提供较大的空间，此时结构设计上可采用带转换层的结构形式。

一、主要转换结构的结构形式分析

框支转换：笔者在十余年的设计工作中，做过大量的高层住宅结构设计。高层住宅采用最多的结构类型为剪力墙结构，而对于沿街住宅，其下部经常需要设置商业以满足附近居民生活购物方面的需求。对于这种上部为较密剪力墙而下部为商业等需要大空间的情况，可以将上部的部分剪力墙在底部需要大空间的位置用框支梁进行转换，形成框支剪力墙。由框支柱与框支梁形成的框支框架和上部剪力墙一起承受荷载，这种转换方式为框支转换，这种结构形式即是我们所说的部分框支剪力墙结构。部分框支剪力墙结构由于底层及底部数层有较大的空间，能满足多种建筑功能的使用需要，因此在实际工程中有广泛的应用。采用框支转换时，由于上部剪力墙刚度较大，而下部框支框架刚度及落地剪力墙总和刚度一般小于上部剪力墙，实际工程中转换层上、下楼层的侧向刚度产生突变的情况较多，在地震作用下的转换层上下层层间位移角变化较大，剪力分布亦不均匀。高位转换时，则部分框支剪力墙结构受力更为复杂。《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）对部分框支剪力墙结构有如下规定：设防烈度为8度时转换层的设置高度不宜超过3层，设防烈度为7度时不宜超过5层，设防烈度为6度时可适当增加。超过上述规定时，若仍按现行规范的有关条文进行设计，则不能保证结构的安全可靠和抗震要求，但如建筑功能上确有需要，应进行超限审查，经专家审查论证后，采取可靠的措施保证结构抗震的安全可靠后方可采用。

托柱转换：现代建筑中框架结构因其柱网布置灵活，在适应建筑功能要求的方面很强，因此应用很广泛。笔者在设计工作中也遇到过上部是框架结构的办公楼，而下部两层需要较大的无柱空间的案例。对于这种上部为框架结构而同样在底部需要大空间的情况，可以在底部楼层抽去几根柱子形成大空间，通过托柱梁及转换柱形成的框架与其他框架共同承受荷载，这种转换即是托柱转换。与框支转换类似，托柱转换的上部楼层的部分竖向构件不能直接贯通落地，需设置结构转换构件，转换构件的传力不直接，应力复杂。但两种转换构件的受力状态却不太一样，与框支转换相比，托柱转换转换层上、下楼层的侧向刚度一般不至于发生较大突变，因此地震作用下转换层上、下层剪力分布及层间位移角变化较小，抗震性能较框支转换为好。笔者自己遇到的托柱转换的工程案例，在结构总体指标计算及转换构件自身强度、刚度计算时均较框支转换容易通过。

斜撑转换及搭接柱转换：在实际工程中，有时会遇到上下楼层由于功能需要或建筑立面造型有外挑或内收而造成竖向构件上下层错位，而同时其错位的尺寸又不太大时，可以采用斜撑转换或搭接柱转换。这两种转换在转换构件的受力方式上与抬梁式转换有很大不同。斜撑转换或搭接柱转换属于局部转换，转换层上、下层的侧向刚度变化不大，剪力分布较为连续，抗震性能较框支式或托柱式转换稍好。

有些结构由于功能需要而有多处转换，这种转换属于结构的整体转换；有些结构中仅有小范围转换，仅需设置少数转换构件（不直接落地的竖向构件截面积不大于总竖向构件截面积的10%），这种是结构的局部转换。整体转换时转换层上、下层竖向刚度发生突变，地震作用下可能会形成软弱层或承载力不足的薄弱层，抗震性能很差，大震容易倒塌。而局部转换虽然少部分竖向构件与整体转换一样存在竖向荷载下结构传力不直接、传力路径复杂的问题，但结构的楼层竖向刚度不至于发生突变，因此转换带来的影响会轻很多。

二、常见的结构转换构件分析

常见的结构转换构件主要有以下几种：转换梁、桁架、斜撑、搭接柱、厚板、箱型转换层等。

转换梁是应用广泛的一种结构转换构件，其受力性能好、传力途径较为明确、构造较为简单，施工相对方便。笔者所做的住宅+底部商业的转换结构中，用的最多的就是实腹转换梁的框支转换，这种转换构件的计算理论明确，技术成熟，应用很多。但其转换构件通常截面尺寸较大、自重较重，影响建筑净空高度，同时容易引起转换层上、下层刚度突变，对结构抗震不利。

桁架转换构件重量较轻，且桁架杆传力清楚明确，受力合理，桁架转换上、下层质量分布相对均匀，刚度突变程度也不大，地震反应相对较小。腹杆间布置设备管线可充分利用建筑空间。但桁架的杆件节点构造复杂因而对施工水平的要求较高。

斜撑转换，其受力形式上类似于桁架。其适用于竖向构件上下错位距离较小时，在错位层上层柱底和下层柱顶用斜柱连接，此斜柱来传递上层柱的荷载至下层柱，这种转换即为斜撑转换。搭接柱转换与斜撑转换适用的情况类似，在上下层错位处用一个搭接块结合梁、板水平构件共同传力，这就是搭接柱转换。

实际工程中，有时会遇到转换层上、下许多竖向构件位置错位较多，此时可在上、下柱错位处设置厚板，通过厚板来完成竖向构件力的传递，这就是厚板转换。厚板转换优点为可使上部竖向构件布置较为灵活，但缺点非常突出：其传力路径不明确，受力非常复杂，结构受力很不合理。而且转换厚板通常很厚，其质量和刚度均很大，转换层上、下层刚度突变很大，抗震性能很差。厚板密密麻麻的钢筋及其相关构造、大体积混凝土的水化热问题，给施工带来一定的麻烦。目前对厚板转换的结构分析研究尚不充分，故采用厚板转换应慎重。

由上、下层楼板及梁形成的刚度很大的箱型转换层，对转换层上下竖向构件来讲，有着同厚板转换一样灵活的优点，但自重却比厚板转换层小的多，因此其抗震性能较厚板转换有较大改善。但箱型转换依然存在上、下层刚度突变较严重的问题，不宜设置在较高的部位，且其施工较为麻烦。

结语：

带转换层的结构是为了满足建筑功能要求而产生的，但其为传力不直接、受力复杂的不规则结构，抗震性能较为不利。在实际工程中，应在满足建筑及其他专业功能要求的前提下，分析结构竖向构件的布置方式，尽量不设转换层或少设转换构件，在必须设置的情况下，应尽量使结构传力明确、简单，并应采用不同力学模型的计算软件进行对比计算。

参考文献：

[1]高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）

[2]张维斌.钢筋混凝土带转换层结构设计释疑及工程实例