高层建筑结构转换层的结构设计

王小超

核工业第五研究设计院河南郑州450000

摘要：高层建筑的结构转换层是高层建筑中较为常见的建筑结构，由于转换层结构的特殊功用，导致其结构设计较为复杂。本文对高层建筑结构转换层的结构设计进行简单分析。

关键词：高层建筑；结构设计；结构转换层；转换层结构设计

一．引言

随着我国经济的快速发展，城市建设和发展速度越来越快，高层建筑也逐渐成为城市发展中的主要建筑形式。为满足建筑功能的多样性，结构转换层成为高层建筑结构中的重要组成部分。由于转换层的竖向构件的不连续性，导致结构设计难度加大，必须要结合工程实际情况，综合考量，保障结构转换层结构设计的科学性。

二、转换层的功能

建筑结构设计中的转换层主要起到承上启下的功能作用，其设计对建筑工程具有相当重要的经济意义与功能意义。根据建筑各层布局，转换层主要实现以下几方面作用：

1、上、下层结构类型转换

转换层将上部剪力墙转换为下部的框架，此结构多用于框—剪和剪力墙结构中，如此便可使得下部结构具有较大的内部自由空间。

2、上、下层结构柱网布置的改变

转换层上、下结构形式相同，通过它可以使下部结构的柱距扩大，形成大柱网空间。多用于商住楼，以形成下部的大空间用于商场、停车场等。

3、同时转换上、下层结构类型和柱网布置

上部剪力墙结构通过转换层变成框支剪力墙结构的同时，上部剪力墙的轴线与下部柱网错开，形成上下柱网不对齐的结构。多用于办公楼，上部用于小开间办公室，下部用于停车场或者大厅等。三、高层建筑结构转换层的结构形式目前，工程中常见的转换层的结构形式主要有梁式转换、厚板转换、箱型转换、桁架转换。

1.梁式转换

一般用在上、下层柱网和轴网布置较为规则的底部大空间结构体系中，当需求纵横向同时转换时可选用双向梁或主次梁的布置方法。梁式转换层受力清晰、布局简单、施工便利，因此被广泛应用，是当前在带转层的高层建筑工程中最常用的一种转换层构造形式。但由于转换梁截面尺寸大、自重大，建筑空间不能被充分利用，且容易引起转换层上、下层构造的刚度突变，对抗震不利，因此采用型钢混凝土梁式转换、预应力混凝土梁式转换及加腋梁式转换。

2.板式转换

一般用在上、下层结构柱网或轴线错开较多时的情况，因为在这种情形下难以用梁直接承托上部结构，所以需要做成厚板，通过厚板来承受结构上部的荷载并传递给下部。由于上部荷载较大因而所需要的转换板厚度也较大，大厚板必然导致大自重、大刚度，而这两点对于结构抗震十分不利，再加上厚板转换层的理论研究和设计依据尚不太成熟，因而其应用也就受到一定限制。

3.箱型转换

一般用在铁路工程中，在房屋结构中的应用较少。箱型转换层利用单、双向托梁和上下层楼板的共同作用来完成上部结构荷载到下部结构的传递。其平面内的刚度远远大于实腹梁，但其自重却远远小于厚板转换层，这将有利于改善带转换层的高层建筑结构的抗震性能。

4.桁架式转换

由多榀桁架共同承受上部结构的荷载，其高度多为一个层高，上弦杆设在上层楼板内，下弦杆设下层楼板内。桁架转换层受力明确、自重小、抗震性能好，但是转换的杆件节点受力状态复杂、设计难度大、施工较复杂，因而其实际应用受到限制。

三、建筑结构设计中的转换层设计原则

转换层进行科学合理设计不仅能避免建筑资源的浪费还能杜绝一定的建筑结构安全隐患，其在设计过程中应遵循以下设计原则：

1、与建筑专业相配合

为了满足建筑的需要，高层建筑转换层结构形式的选择必须与建筑相互配合。转换层的结构形式通常会选择一些能和建筑物的外观相适应的结构形式，转换层结构形式不但要具备很好的外观，同时在性能上也要能够满足建筑正常使用的需要。转换层结构一定要可以有效的帮助建筑实现其功能，在实际的施工中，很多工程都将设备层当做是转换层，这个时候，转换层当中就必须要有足够的空间给设备管道，让其可以在转换层中通过，如果洞口的尺寸已经超出了一个相对比较合理的范围，就应该采用空腹或者是实腹桁架来实现转换层的功能。2、在转换层设计过程中应尽量减少结构转换的竖向构件，应尽可能的多采用直接接地的构件，其能有效避免建筑刚度的减小，对建筑物抗震性能的提升有着重要的作用。

3、转换层的设计位置不能偏高，应尽可能的靠近底层位置。主要是由于建筑框支剪力墙结构的传力途径以及刚度发生变化时会直接造成转换层成为薄弱层，很大程度上降低了建筑物的抗震性能。

4、在进行转换层的设计时应注意传力路径的明确性，并且确保转换层的刚度。由于转换层结构本身起到的是结构转换作用，所以应保持其自身的受力平衡性。

5、要对剪力墙以及框支剪力墙的比例进行综合考虑，保证其横向落地剪力墙的数目超过横向墙的50%。

6、在进行转换层设计时应保持其上部柱子和剪力墙的对称分布，将梁上立柱设置在转换梁跨中，从而避免转换梁变形作用下产生的框支柱柱角变形加大。

四、梁式转换层结构设计

梁式转换层结构在实际工程中应用最为广泛。大量的统计数据表明，有超越一半的转换结构选用梁式转换层。

梁式转换层结构是以剪力墙到转换梁，再到转换柱为力的传导途径，由于这种传力途径的表现形式直接、明确，计算、分析和设计都比较方便，而且施工也比较简单。但是，如果建筑物的上下轴线的位置布置错位，在结构设计中就需要增加转换梁的数量，导致建筑物的空间受力情况变得更加复杂，不利于建筑施工。

转换梁的受力情况主要受到传力的剪力墙的刚度、转换梁自身的刚度以及支撑转换梁的转换柱的刚度影响。因此，为了明确梁式转换层的受力机理，相关研究人员以转换梁所承托的层数对转换梁受力的影响为例，应用了有限元程序对其进行了分析。分析结果表示，当转换梁的跨度不大于十二米时，转换梁承托的层数标准为三层，但是以承托层数为四层或者是五层进行计算时，偏差也没有超过5%，在可承受范围之内。因此，在对承托层数为三到五层的梁式转换层结构进行设计时，就可以直接以三层为标准进行计算。导致这种情况出现的原因主要有两点：其一，是因为转换梁正好处于结构整体弯曲的受拉区，应力积分后在转换大梁中就会出现轴向拉力；其二，是因为剪力墙体竖向力作用于转换梁时，传力方式就会由竖向传递变成了拱式传递，力量不会直接作用在转换梁上，从而导致转换梁中间位置出现拉力，支座出现轴向压力。

五、设计中应注意的几点问题

1、转换层设置高度不宜过高

转换层高度越高，使得转换层对下部结构的动力特性影响越明显，同时传力路线的突变越大，使得下部结构更容易破坏；转换层高度低的建筑，只需控制侧向刚度比即可控制转换层附近的层间位移角；对于转换层高度更高的建筑，还须控制转换层上下部结构的等效刚度比。转换层高度越高，转换层上下部结构在地震作用下的变形效应就越大，转换层上下部结构等效侧向刚度比的作用也就越小。

2、柱宜直接落在转换层主结构上

根据《建筑抗震设计规范》中第E.2.2条规定：转换层上部的竖向抗侧力构件（墙、柱）宜直接落在转换层的主结构上。即上部密柱宜与转换桁架斜腹杆的交点、空腹桁架的竖腹杆在位置上重合。这样使得结构的传力路线明确，受力合理，且相邻斜腹杆可形成拱效应，与竖腹杆共同承受竖向力，同时有利于提高结构抵抗地震竖向作用的能力。

六、结束语

高层建筑结构转换层结构设计是非常复杂的系统工程，在进行结构设计时，必须要从力学角度展开分析，结合高层建筑功能，采用合理的转换层结构形式，保障建筑结构整体稳定性。

参考文献：

[1]高淑云.浅析高层转换层结构设计[J].城市建设理论研究（电子版），2012，（18）.

[2]赵恒.对高层建筑转换层结构设计的有关探讨[J].中国建筑金属结构，2013，（14）：93-93.

[3]唐兴荣，蒋永生，孙宝俊等.带预应力混凝土桁架转换层的多高层建筑结构设计和施工建议[J].建筑结构学报，2000，21（5）：65-74.

[4]孙鸿伟.关于高层建筑转换层的结构设计分析[J].四川水泥，2014，（9）：110-110，113.

[5]陆劲松.高层建筑工程中厚板转换层的结构设计案例分析[J].建筑工程技术与设计，2014，（9）：93-93

[6]方毅华.有关转换层高层建筑结构设计的阐述[J].建筑工程技术与设计，2014，（11）：109-109.

[7]曾均华.带转换层的高层结构设计[J].建材与装饰，2014，（25）：32-33，34.