淺談高層建筑轉換層結構

賈 輝 孫華東

0 引言

近年來，隨著經濟發展和科技進步，國內外高層建筑的發展十分迅速，而且為滿足人們生活快節奏的需要，現代的高層建筑結構越來越高、越建越大，并且向著體形復雜、功能多樣、造型新穎的方向發展［1］。為滿足建筑結構功能的需要，必須對其進行“反常規設計”，即上部布置小空間，下部布置大空間。而為了實現這種結構布置，就必須在結構發生變化或者上下軸線錯位的樓層設置水平轉換構件，轉換層結構應運而生。目前，這類建筑已經成為現代高層建筑發展的一大趨勢。

1 轉換層結構的分類

由于結構功能的不同，依據轉換層所實現的結構轉換可以把轉換層結構大致分為以下3類［3，4］:

1 )上層和下層結構類型的轉換。將上部墻體轉換為下部框架，以創造一個較大的內部空間，多用于剪力墻和框架—剪力墻結構;2)上層和下層柱網、軸線的改變。這類轉換層上、下結構形式沒有改變，但通過轉換層，使下部結構柱距擴大，形成大柱網; 3)同時轉換結構形式和結構軸線的布置。這一類型的轉換層在將上部樓層剪力墻結構轉換為下部框架結構的同時，下部樓層柱網軸線與上部樓層的軸線錯開，形成上、下部結構錯位布置［2］。

2 轉換層結構的主要形式

2.1 梁式轉換

梁式結構的轉換層一般在轉換層的樓面設置縱橫交錯的鋼筋混凝土承重大梁，為適應上部荷載的需要，梁的截面尺寸較大，對于框筒、筒中筒結構或外框筒的柱一般較密，在底部一層、二層的出入口處往往不能滿足使用要求，有時要求把外筒的柱在局部處減少1根～2根。局部形成上層有柱，下層無柱的情形。有時出入口不只一處，而且一層與二層的出入口不一定都上下對齊。遇此情形，可以在相應樓層下作一圈轉換大梁，把上部柱的荷載通過轉換大梁傳到下層兩邊的柱上去，相應的這兩邊的柱的尺寸要加大。梁式轉換還更多地適用于框支剪力墻結構，這種高層建筑中最常見的結構，是把大部分的剪力墻在一定層次上用框架抬起來，一部分剪力墻落地，在交界處用一較大截面的托梁來過渡，結構的轉換層就做在框支梁這一層。這樣，房間中無凸出的柱，墻面平整，在使用中也較為合理。

2.2 桁架式轉換

桁架式結構的轉換層是由梁式結構轉換層變化而來的，整個轉換層由多種鋼筋混凝土桁架組成承重結構，桁架的上、下弦桿分別設在轉換層的上、下樓面的結構層內，層間設有腹桿。由于桁架高度較高，所以上、下弦桿的截面尺寸相對較小。對于下部是商場、娛樂設施，上部是客房、賓館的情形，一般在較大柱距方向，由于上部有走道，衛生間等，需要加設柱來減小梁的跨度，從而達到減小梁高，降低客房層高的目的。通常在客房層和商場之間作一個設備層，利用設備層的空間在此方向作空腹桁架，所有設備管道可在桁架的腹內穿行，不影響使用。桁架上部的柱或墻荷載通過桁架傳到下部較大柱距的柱或墻上。有時為了把客房層的層高再壓低一些，上部客房層在另一個方向上也加一根柱子，此時在轉換層內要在兩個方向作空腹桁架。為方便設計與施工，宜上下各作一塊較厚的板，在中間適當位置布置一些肋，中空的地方可讓設備管道穿行。

2.3 箱形轉換

箱形轉換是通過一整層來達到具有較大剛度和承載力的一種轉換結構，實際上也是由梁式結構轉換層變化而來的。在這一轉換層中，樓層上下面的同一根軸線上均設一道大梁，梁間是鋼筋混凝土墻，構成類似于桁架的大型組合梁結構。縱橫兩向的組合梁交叉成梁格，大部分交叉處有底層通上來的柱子，地板和頂板都是鋼筋混凝土厚板，這樣便形成一個箱形剛性層。在該層的腹板中可以選擇適當位置開設管道和人通行孔洞，以充分利用空間。過渡層上的剪力墻不像框支剪力墻那樣應力復雜，這就在一定程度上解決了框支剪力墻結構中剪力墻開洞要求與洞口限制之間的矛盾。但箱形自身剛度較大，大空間的底層或下部幾層的結構平面需進行合理布置，保持一定的剛度，避免在抵抗水平力時因底層剛度削弱而產生較大的相對位移，造成破壞。目前箱形轉換層用于房屋結構還不多，但在鐵路工程中較常見。

2.4 厚板轉換

厚板結構的轉換層通常適用于上、下層既有結構類型的轉變，又有柱網、軸線變化的情況。對于體型復雜的商住樓，特別是多塔樓體系，上部住宅單元剪力墻布置很不規則，而下部商場要求規則大柱網，難以布置轉換梁，采用厚板轉換層成為一種較好的選擇。厚板在解決建筑與結構的功能方面有一定的優勢，它可以使高層建筑在轉換層上、下的墻、柱軸線上不受任何限制，因而可以比較合理的布置構件，改善整體結構的受力情況，它特別適用于體型復雜、功能繁多的結構，能夠更為靈活的實現建筑物的功能，真正體現高層建筑的優勢，這是其他形式的轉換層結構所不能比擬的。隨著高層建筑的迅速發展和框支剪力墻結構體系的廣泛應用，為滿足復雜建筑的需要，轉換層位置的高度越來越高，一般設在3層～6層，有的工程設在7層～10層，甚至更高，這就是我們所說的高位轉換結構。這類結構的設計方法在現行《高規》中沒有明確規定，主要原因是對高位轉換層結構研究不夠深入，而工程師往往沿用底層框支剪力墻結構的設計方法，但是原有的設計方法是否滿足高位轉換結構的需要，轉換層的高度對框支剪力墻結構的抗震性能有何影響，對側向剛度和平面布置有何影響，在設計中應注意哪些問題，這些都是工程設計人員迫切關注的。所以，高位轉換層結構設計中有許多問題有待解決，該課題具有重大的理論和現實意義［3］。

3 轉換層結構的發展趨勢

3.1 鋼骨混凝土轉換層的應用［4］

鋼骨混凝土梁不僅承載力高，剛度好，可大大減小截面尺寸，且塑性、耐久性和抗震性能優于鋼筋混凝土梁。此外，鋼骨混凝土梁在施工階段其自身剛度好，定位準確，可減少支模，加快施工速度。目前，國內采用鋼骨混凝土轉換構件的實際工程還不多，但國外采用則較多。

3.2 預應力混凝土轉換層的應用［5］

采用預應力技術可帶來許多結構和施工上的優點，如減小截面尺寸、控制裂縫和撓度，控制施工階段的裂縫及減輕支撐負擔等等。因此，預應力混凝土結構非常適合于建造承重荷載的大跨度轉換層，且自重輕，節省鋼材和混凝土。

3.3 轉換梁受力性能的改善

轉換梁的截面尺寸是由其受剪承載力來控制的，截面尺寸往往較大，處理不好有可能使轉換梁與框支柱形成的框架出現“強梁弱柱”的現象，對結構抗震不利;另一方面采用轉換梁也多少會影響該層的使用空間;對于外筒的轉換，采用轉換梁會對該層的通風、采光不利，若開設洞口，則會產生明顯的應力集中現象，因此有必要尋求新的轉換結構形式，以改善轉換梁的受力性能，主要途徑包括:

1 )斜向支撐的應用;2)豎向傳力的多道轉換;3)轉換梁加腋的應用;4)新型轉換結構的應用［5，8］。

4 結語

轉換層結構是一種新型的結構形式，它的出現推動了高層建筑及其結構體系形式的發展，極大促進了建筑科學的進步。轉換層結構形式多樣且各具特點，設計時應結合工程實際情況加以選用，并應注重轉換層結構的概念設計，合理的結構平面和豎向布置可以從整體上形成良好的抗震體系，保證建筑物的安全性和經濟性。

［1］ 趙西安.鋼筋混凝土高層建筑結構設計［M］.北京：中國建筑工業出版社，1995：101-156.

［2］ 李鵬超，王建云.高層結構的轉換層及應用探討［J］.國外建材科技，2005，26(4)：87-89.

［3］ 梁炯豐，張 敏.高層建筑轉換層結構綜述［J］.石家莊鐵道學院學報，2006，19(S1)：186-189.

［4］ 唐興榮，何若全.高層建筑中轉換層結構的現狀和發展［J］.蘇州城建環保學院學報，2001，14(3)：1-8.

［5］ 婁 宇，魏 璉，丁大鈞.高層建筑中轉換層結構的應用和發展［J］.建筑結構，1997(1)：21-26.

［6］ 傅學怡.轉換層高層建筑結構設計建議［J］.建筑結構，1999，20(2)：28-41.

［7］ 黃 釗，張 濤，黃 龍.高層建筑轉換層結構設計與施工研究［J］.華北水利水電學院學報，2008，29(2)：40-42.

［8］ 梁炯豐.高層建筑轉換層結構的概況和發展［J］.山西建筑，2006，32(4)：69-70.