淺析帶轉換層高層建筑結構設計

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摘要：轉換層是高層建筑結構設計中的關鍵因素。本文結合工程實例，簡單介紹了高層建筑轉換層的功能及主要型式，對目前使用現狀進行分析，提出高層建筑結構帶轉換層設計中的問題提出相關建議。

關鍵詞：高層建筑；轉換層設計；設計原則；要點

一、工程概況。

某高層建筑總高度為79.6米，總建筑面積72051㎡，地下2層，地上25層。地下二層為停車場，兼作戰時人防工程。建筑工程屬于框架-剪力墻結構，結構類型為人工挖孔樁基礎。整個工程由A、B、C三棟高層塔樓住宅和商場及地下車庫組成，地下第三層為轉換層，轉換層以上為剪力墻結構體系，轉換層以下為框架結構體系，轉換層層高為4.2米。

二、結構轉換層的功能及主要型式。

1.結構轉換層的功能。

從高層建筑結構功能來看，可以將轉換層實現的結構轉換分為三類：

（1）建筑結構型式的轉換。高層建筑結構型式的轉換被廣泛應用到剪力墻結構和框架-剪力墻結構中。結構型式的轉換層將上部的剪力墻轉換為下部的框架，從而給建筑下部樓層構造了較大的內部空間。本工程即為框架-剪力墻轉換結構。（如圖1所示）。

（2）軸線、柱網的轉換。采用此種轉換層型式，無法改變轉換層上部和下部的結構型式，但是可以通過結構轉換層，將下部空間構建成大柱網，能夠滿足外框筒形成較大空間或較大入口的需要。（如圖2所示）。

（3）軸線布置和結構型式同時轉換。采用此種型式的轉換層結構，將上部樓層剪力墻改變為框架，下部樓層的柱網軸線和上部樓層軸線錯開布置，形成樓層上部和下部不對齊的結構布置。

2.結構轉換層的主要型式。

（1）板式轉換層。在高層建筑上部和下部柱網軸線錯開較多時，由于難以采用梁直接承托，此時可以采用板式轉換層。板式轉換層不需要同上部結構對齊，下部柱網可以靈活進行布置。板式轉換層材料用量較多，自身重量較大，一般不適宜用于抗震設防烈度超過6°以上的建筑中。

（2）梁式轉換層。梁式轉換層在高層建筑結構轉換層中應用最為廣泛，在建筑需要縱橫同時進行轉換時，可以采用梁式轉換層結構。梁式轉換層具有施工設計及施工較為簡單，結構受力較為明確。（如圖3所示）

（3）箱形轉換層。在高層建筑的上部及下部樓板上作為上翼緣和下翼緣，在中間設置雙向或單向的豎隔板形成箱形轉換層。箱形轉換層建筑結構應用較少，通常在鐵路工程中出現。

（4）桁架式轉換層。高層建筑采用桁架式轉換層結構設計，其施工及構造相對復雜，轉換層的傳力明確。

（5）其他型式。如斜柱式轉換層及拱式轉換層，應用較少。

三、高層建筑轉換層設計的種類與設計原則

1、高層建筑轉換層設計的種類。

高層建筑轉換層設計一般包含結構轉換層設計和功能轉換層設計。高層建筑結構轉換層設計是對不同結構間的轉換設計，需要對構件進行轉換，需要將上部砌體墻多承載的內力轉嫁到下部的框架支柱上。高層建筑功能轉換層是在高層建筑的中間位置增加設備層例如，高層建筑由于高度太高，對高層樓層供水供電增加了困難，此時在樓層的中間位置設置放置電負荷重新分配、水系統重新減壓吃力的設備空間，高層建筑設計時，單獨設計一層樓層作為功能轉換層。一般情況下，功能轉換層的樓層高度控制在2.2米以下。

2、高層建筑轉換層設計的基本原則。

高層建筑轉換層起到承上啟下的功能，屬于建筑結構中關鍵構建。據相關數據統計顯示，在30層以下的建筑中，轉換層的造價占據建筑總體造價的6%以上，部分高層建筑轉換層造價甚至達到整個建筑造價的20%。由此可見，高層建筑轉換層是設計對建筑工程具有非常重要的經濟效益。科學合理的轉換層設計不僅可以避免資源浪費，同時可以有效防止產生安全隱患。為避免高層建筑豎向結構發生剛度突變，導致建筑抗震性能降低，在設計結構轉換層時，要遵循以下基本原則：

（1）最大程度減少結構轉換的豎向構件。在高層建筑轉換層結構設計時，多采用直接接地的豎向構件，盡量少采用需要進行結構轉換的豎向構件，可以減少需要轉換的結構，避免建筑剛度突然變小，有利于提高高層建筑的抗震性能。

（2）轉換層設計位置不宜過高，要盡量靠近底層。高層建筑轉換層位置較高時，建筑框支剪力墻結構位于轉換層的附件，其傳力途徑、內力及剛度發生突變，容易在高層建筑中形成薄弱層，不利于高層建筑的抗震。

（3）高層建筑轉換層需要有明確的傳力路徑。

高層建筑轉換層結構設計時，為了保證施工量以及便于進行結構分析設計，要確保轉換層具有足夠的剛度。轉換層結構設計時，要確保轉換層及下部構件的內力要合理分配，為確保轉換梁和剪力墻柱具有較好的受力性能，可以梁的高度控制在跨度的1/6內，確保上層和下層的剛度比盡量接近1。高層建筑轉換層結構需要起到較強的結構轉換作用，要有利于結構的整體受力平衡。

（4）嚴控落地剪力墻和框支剪力墻的比例。高層建筑轉換層結構設計時，需要綜合考慮抗震及剪力墻設計，要確保橫向落地剪力墻數目和橫向墻的總數比超過50%。

（5）高層建筑轉換層結構設計要盡量確保轉換層上部柱子及剪力墻分布對稱，同時要確保梁上的立柱盡量設置在轉換梁跨中。通過采用此種結構型式，避免轉換梁變形時，立柱柱腳產生大轉角，避免立柱柱腳發生變形。

四、帶轉換層高層建筑結構設計相關建議。

高層建筑帶轉換層的結構設計需要融合建筑標準并進行有效捕捉，要合理把握建筑設計及控制的準確度，提高實施計劃的可能性。要重視高層建筑結構整體建設方案，立足原有設計進行改革創新，利用各專業的配合，實施新型技術規范，提高高層建筑轉換層結構設計水平。

1、合理分布高層建筑的轉換層結構。

高層建筑設計時，需要考慮許多因素。選擇結構框架的轉換層時，需要利用桁架、空腹桁架、箱形結構、斜撐、厚板、梁等重要構件作為支撐，

高層建筑設計中考慮的因素相當之多，結構框架的轉換層的選擇也是很有講究的，高層建筑主要包含的關鍵因素有梁、桁架、箱形結構、空腹桁架、厚板、斜撐等重要的構件做支撐，根據高層建筑的實際情況來進行合理設計。利用結構分析軟件，計算簡圖，分析同軟件力學模型和計算模型是否一致。高層建筑進行結構分析時，要注意轉換層結構變形、垂直位置和上下層剪切剛度比對建筑結構的影響。

2、合理控制高層建筑落地剪力墻的間距。

在高層建筑結構設計中，忽略對轉換層設計的重視，對商住高層建筑沒有積極效果。高層建筑結構設計時，在塔樓的轉換層部位設置裙房，同時加大板截面的尺碼，加強高層建筑的梁柱，避免地震給高層建筑造成嚴重傷害。高層建筑設計時，要將建筑自身抵御自然災害的能力作為關鍵考慮因素。高層建筑在面臨地震震感較強時，就需要轉換層具有足夠的抵御能力。

五、結束語

帶轉換層的高層建筑結構設計涉及內容非常廣泛、非常復雜，是多種學科的綜合應用。在高層建筑轉換層結構設計時，要結合建筑的實際特點，綜合考慮結構受力狀態的各種受力因素，遵循設計基本原則，設計科學合理的施工方案，確保設計的科學性、合理性。