淺析高層建筑中轉換結構設計

（中工武大設計研究有限公司，湖北，武漢，430072）

【摘要】由于房地產行業的發展，高層建筑越來越經常的出現在人們生活之中。本文就高層建筑的結構轉換問題進行分析，并提出結構轉換的原則。

【關鍵詞】框架轉換結構；框支轉換結構；設計原則

隨著我國經濟的快速發展和城市建設的步伐加快，城市建筑，尤其是城市大型建筑的建設，促進了建筑設計的發展。在建筑結構設計方面取得了較大的進步。

1 框架結構與框支結構

建筑結構是指在建筑物（包括構筑物）中，由建筑材料做成用來承受各種荷載或者作用，以起骨架作用的空間受力體系。在高層建筑結構設計中，經常會遇到結構轉換問題。結構轉換分為對上部剪力墻的轉換（一般稱為框支轉換）和對上部框架柱的轉換（一般稱為框架轉換）。

當轉換構件承托的上部樓層豎向構件為剪力墻時，上部剪力墻被稱為“支剪力墻”，相應的轉換被稱為框支轉換。在框支轉換中，轉換會使上部剪力墻對豎向荷載的傳力路徑發生改變，而且還要將上部抗側剛度較大的剪力墻轉換為抗側剛度相對較小的框支柱。根據轉換位置和轉換區域的大小，框支轉換又可分為一般框支轉換和局部框支轉換。由于一般框支轉換的轉換層上下的側向剛度比較大，容易形成結構軟弱層和薄弱層，從而引起地震剪力的劇烈變化，對結構的抗震極為不利；而且轉換部位受力比較復雜，比如轉換梁將會由于上部剪力墻產生的拱效應而受到拉力作用，因此應采取嚴格而有效的抗震措施。和一般框支轉換不同，局部框支轉換的框支剪力墻數量少，且樓面結構對轉換層有較強的約束，此類轉換一般不會產生明顯的結構薄弱層效應。

當轉換構件承托的上部樓層豎向構件為框架柱時，相應的轉換被稱為框架轉換。在框架轉換中，轉換雖然也改變了上部框架柱對豎向荷載的傳力路徑，但轉換層上部和下部的框架剛度變化不明顯。根據工程的具體情況，框架轉換分為一般的框架轉換和重要的框架轉換兩部分。一般框架轉換結構應該具備下述性質：（1）轉換梁的跨度較小（2）承受的豎向荷載較小（3）被轉換的上部柱數量較少。（4）周圍樓板對轉換構件約束較好（5）轉換層在建筑底部以上區域。重要框架轉換結構要具備以下性質：（1）轉換梁的跨度較大（2）承受的豎向荷載較大（3）被轉換的上部柱數量較多（4）周圍樓板對轉換構件約束較差（5）轉換層在建筑底部區域。一般框架轉換結構和重要轉換結構在轉換梁跨度、承受力、上部柱數量、約束性及區域方面具有相反的性質。另外，當被轉換的框架柱非常重要時，也就是說在被轉換的框架柱失效的情況下會導致結構的全部或局部倒塌，在這種情況下，框架轉換也可確定為重要框架轉換。

2 轉換結構層的作用

一般而言，當高層建筑下部樓層豎向結構體系或形式與上部樓層差異較大，或者下部樓層豎向結構軸線距離擴大或上、下部結構軸線錯位時，或者在高層建筑結構的底部，當上部樓層部分豎向構件（剪力墻、框架柱）不能直接貫通落地時，就必須在結構改變的樓層布置水平轉換構件，即結構轉換層。

轉換結構可根據其建筑功能和結構傳力的需要，沿高層建筑高度方向一處或多處靈活布置，且自身的這個空間既可作為正常使用樓層，也可作為技術設備層。在進行布置時，要保證轉換層有足夠的剛度，以防止沿豎向剛度過于懸殊。對于那些底層空間大的多塔樓商住建筑，塔樓的轉換層宜設置在裙房的屋面層，為了避免中間出現剛度特別小的樓層，減低地震發生的危險，要加大屋面梁、板的尺寸和厚度。

轉換層結構既有有利的一面，也存在不利的一面。轉換層結構由于擴大了底部無柱空間，使建筑布局的靈活性大大增強，這使建筑物的功能有了更多選擇，對于大型商場非常適合。從安全性方面來說，轉換層結構通過水平轉換結構把上部豎向荷載傳遞給下部豎向構件，使得豎向抗側力構件不貫通，從根本上改變了傳力途徑，增強了建筑物的抗震性能。由于傳力途徑多次轉換，受力復雜。豎向剛度和剪力在轉換層發生突變，易形成薄弱部位。在偏心荷載作用下，轉換梁還發生扭轉效應。

3 轉換層結構設計需遵循的原則

結構設計是一項復雜的工作，在工作中要遵循一定的原則，以保證建筑物的施工質量。

3.1 減少轉換。布置轉換層上下主體豎向結構時，要注意盡可能多的布置成上下主體豎向結構連續貫通，尤其是在核心筒框架結構中，核心筒宜盡量予以上下貫通。

3.2 盡量避免高位轉換。根據建筑行業的實際調查結果顯示，轉換層位于3層以上時，易形成薄弱層，對抗震非常不利。原因是此時轉換層間的位移角、剪力分配方式及傳力路徑都會發生很大的改變。另外，有些在高層建筑的部分框支剪力墻結構中，轉換層的位置應該按照以下規定進行，7度區不宜超過第5層，8度區不宜超過第3層。轉換層位置超過上述規定時，要組織專業研究人員對其進行研究并對可能出現的情況提前采取有效措施。在有些情況下，轉換層可適度增加，比如，6度時其樓層可適當增加，還有底部帶轉換層的框架一核心筒結構和外筒為密柱框架的筒中筒結構，其轉換層的位置可適當增加。

3.3傳力直接。在轉換層上下主體豎向結構布置時，盡量避免多級復雜轉換和厚板轉換，尤其是傳力復雜、抗震不利、質量大、耗材多、不經濟不合理的厚板轉換。上下主題豎向結構布置應該使水平轉換結構直接傳力，以便于建筑的抗震功能。

3.4 強化下部弱化上部。在轉換層結構設計時為保證下部擁有較大的空間，使得整體結構在強度、延性、剛度和抗震能力方面符合標準，應盡量強化轉換層下部主體結構剛度，弱化轉換層上部主體結構剛度，使轉換層上下部主體結構的剛度及變形特征盡量接近。對于下部核心筒框架、上部剪力墻的帶轉換層高層建筑商住樓結構，應強化下部核心筒，可采取加厚筒壁厚度、加大筒體尺寸、加高混凝土強度等級等措施，在特殊情況下還可以在房屋周邊增置部分剪力墻，或者在剪力墻上開洞、開口、短肢、薄墻等，到達弱化上部剪力墻的目的。

3.5 優化轉換結構。有些建筑物對抗震性能要求較高，在進行轉換結構設計時就要把抗震因素考慮進去。在抗震設計時，有的轉換要求在符合建筑的特殊功能，在這種情況下要進行高位轉換，這時候，轉換結構要選擇引起框支柱（邊柱）柱頂彎矩過大、柱剪力過大的結構形式，如斜腹桿桁架（包括支撐）、空腹桁架和寬扁梁等。另外，由于設計的目的是抗震，所以要在材料的強度和剛度上達到抗震的標準，否則會因為材料不達標造成抗震設計的失敗。

3.6 計算全面準確。在進行轉換結構計算時，要從建筑的整體結構角度進行考慮，根據轉換結構的受力形態，利用計算模型，進行正確的三維空間整體結構計算。

4 結語

近年來，國內的高層結構越來越多，結構體系也越來越復雜，轉換層結構體系的應用已經比較普遍。如何更好的運用好轉換層，使其在建筑結構中更好的發揮作用，是我們當前建筑設計的重要目標。

參考文獻

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