關于建筑高層轉換層設計探究

陳海峰

摘要：建筑物某層的上部與下部因平面使用功能不同，該樓層上部與下部采用不同結構類型，并通過該樓層進行結構轉換，則該樓層稱為結構轉換層，結構轉換層在建筑中形式較多，應用較廣。在高層建筑設計中，轉換層設計是結構設計的一個難點，更是不同形式結構體系轉換的關鍵點，設計時應不斷研究和進行方案比較，在可能的情況下做出較優的技術方案才能實現安全、適用、經濟等綜合目標。本文就建筑高層轉換層設計要點進行綜合探究，旨在設計出科學合理的建設方案，減少施工的風險和難度。

關鍵詞：建筑高層；轉換層設計；受力；功能

前言

現代高層建筑向多功能和綜合用途發展，在同一豎直線上，頂部樓層布置住宅、旅館，中部樓層作辦公用房，下部樓層作商店、餐館和文化娛樂設施。不同用途的樓層，需要大小不同的開間，采用不同的結構形式。這種類型結構的特點是豎向荷載作為結構設計的關鍵，轉換結構設計的目標是把握好結構構件的撓度，而且轉換層結構的施工量繁重且復雜，應該高度重視高層建筑轉換層結構的施工過程。

1、高層建筑結構轉換層設計概述

1.1 轉換層結構功能。在建設轉換層結構建筑時要求上部的剛度大，下部的剛度小，這樣才能進行結構布置。將上層的剪力墻轉換成下層的框架結構，實現大的空間結構，這是第一層轉換層；上層和下層的結構形式不改變，變更上、下層的柱網和軸線，目的在于增大下部柱子之間的距離，使柱子形成一個網，這種類型的轉換層經常用在外框筒下面構成一個入口，這是第二層轉換層；上層剪力墻結構轉換為框架結構的同時，柱子的網狀結構的軸線與上層的軸線不是豎向連貫的，這就形成了上、下結構布置的錯位，這是第三種轉換層。

1.2 轉換層結構分類。為了滿足建筑功能的要求，結構必須以與常規方式相反進行布置，上部小空間，布置剛度大的剪力墻，下部大空間，布置剛度小的框架柱。為此，必須在結構轉換的樓層設置轉換層。結構轉換層按結構功能分為三類：第一，上層和下層結構類型轉換。多用于剪力墻結構和框架-剪力墻結構，它將上部剪力墻轉換為下部的框架，以創造一個較大的內部自由空間。第二，上、下層的柱網、軸線改變。轉換層上、下的結構形式沒有改變，但是通過轉換層使下層柱的柱距擴大，形成大柱網，并常用于外框筒的下層形成較大的入口。第三，同時轉換結構形式和結構軸線布置。即上部樓層剪力墻結構通過轉換層改變為框架的同時，柱網軸線與上部樓層的軸線錯開，形成上下結構不對齊的布置。轉換層的結構形式：當內部要形成大空間，包括結構類型轉變和軸線轉變時，可采用梁式、桁架式、空腹桁架式、箱形和板式轉換層；當框筒結構在底層要形成大的入口，可以有多種轉換層的形式，如梁式、桁架式、墻式、合柱式和拱式等。目前，國內用得最多的是梁式轉換層，它設計和施工簡單，受力明確，一般用于底部大空間剪力墻結構，當上下柱網、軸線錯開較多，難以用梁直接承托時，可以做成厚板或箱式轉換層，但其自重較大，材料耗用較多，計算分析也較復雜。

1.3 轉換層設計原則。首先，轉換層設計要有足夠的剛度。保證內力合理的分配，要求梁的高度大于等于跨度1/6，轉換梁具有很好的受力能力，可以在結構中起到很好的轉換功能。其次，高層建筑中轉換層的布置應該低一些。轉換層布置較高時，框架剪力墻結構在每層容易發生剛度和內力的變化，這個部位形成薄弱部位，不利于抗震的要求。實際工程中必須要采用高布置時，設計中要綜合彎曲、剪切和軸向的整體剛度，這樣可以減少內力突變。第三，設計中要盡量減少豎向構件。貫穿落地的豎向構件越多，那么轉換層設計就越來越少，而且這種結構可以很好的滿足抗震的要求。

2、不同形式轉換層設計要點

2.1 轉換梁設計。轉換梁的結構在轉換梁的形式方向可以分為托墻和托柱兩種。轉換梁在承受上層普通框架時，轉換梁要保持在規定的截面尺寸內，轉換梁的受力情況和普通梁基本保持一致，此時可以按照普通梁的截面設計方案進行施工。轉換梁在整垮上是否開洞，都承載上面墻體，并與之共同工作，其受力特點和破壞形式表示為深梁形式，此時就采用深梁的截面設計方案。當滿跨不開洞時，縱向鋼筋就要沿整個的梁高均勻布置，當滿跨且開洞或者不滿跨但剪力墻較長時，縱向鋼筋要沿梁的下部均勻布置，轉換梁此此時存在很大的內力，所以底部的縱向鋼筋應該全部延伸到支座中，不應截斷。梁式轉換層形式的傳力方式是由墻體傳給梁、柱，力的傳遞方向清晰，有利于力的計算和工程的分析設計，節省造價，因此該結構是在實際的工程中最常見的形式，應用很廣泛。

2.2 框支柱設計。框支柱承受的地震剪力標準值應按下列規定采用：框支柱的數目多于10根時，當框支層為1-2層時，每層每根柱承受的剪力之和應取基底剪力的20%；當框支層為3層及3層以上時，每層框支柱承受剪力之和應取基底剪力的30%；框支柱剪力調整后，應相應調整框支柱的彎矩及柱端梁的剪力、彎矩，框支柱軸力可不調整；而當框支柱的數目不多于10根時，當框支層為1-2層時，每層第根柱承受的剪力應至少取基底剪力的2%；當框支層為3層及3層以上時，各層每根柱所受的剪力應至少取基底剪力的3%。

2.3 桁架式轉換層設計。桁架式轉換層形式的優點是受力清晰，自重相對較小，抗震性能強，管道安裝和后期維護程序簡單，但是這種形式施工的難度較大。桁架式轉換層形式的承重結構是由多個鋼筋混凝土桁架構成，桁架的桿分別設置在上下樓層面的結構層內，每層之間又設置了腹桿。桁架有空腹和實腹兩種，材質可以是鋼的或者鋼筋混凝土的，后者在實際的高層結構中是比較常用的，桁架式轉換層的設計以滿足斜腹桿和節點的設計為要點，節點受力比較復雜，由于力的作用，容易發生剪力破壞的情況，此形式一般要求高度達到3m以上，否則斜壓桿成為短柱，在高強度的作用下發生脆性破壞。

3、建筑高層轉換層設計注意事項

3.1 轉換層位置宜低不宜高。由于高層建筑結構豎向剛度存在一定程度的突變，且轉換層上下附近的剛度、內力和傳力途徑都會發生突變，并且轉換層通常剛度大、自重大，在其附近的樓層極易屈服，形成薄弱層，對抗震不利。另外，高位轉換框支剪力墻結構的轉換層下部落地剪力墻易產生裂縫，使得轉換層下部剛度減小，導致框支柱產生裂縫；并且由于轉換層的剛度大使得轉換層上層相當于固結底層，從而使轉換層上層的剪力墻內力增大易產生破壞，因此，設置轉換層應堅持轉換層位置宜低不宜高。底部大空間部分框支剪力墻高層建筑結構在地面以上的空間層數8 度時不宜超過 3 層，7度時不宜超過 5 層，6 度時其層數可適當增加；底部帶轉換層的框架核心筒結構和外筒為密柱框架的筒中筒結構，其轉換層位置可適當提高。

3.2 上下軸網部份對齊。為避免采用厚板式轉換層結構，盡可能采用梁板式或其他形式的轉換層結構，其必要條件就是上下軸網部份對齊，軸網對齊的比例越高，轉換層結構的設計就越簡單容易，結構受力更明確，經濟效果更好，這方面有賴于結構與建筑方案的密切配合和協調。如果結構上部、下部的軸網全部錯位，則轉換層結構可能只得采用厚板式，厚板式轉換層結構是所有轉換層結構中缺點最多的一種形式，不僅受力不好，設計難度高，施工困難，而且極不經濟。

4、結語

總之，在高層建筑轉換層的施工過程中，由于構件的復雜性和受力的多向性，使得對構件的支持系統要求很高，因此在施工過程中要嚴格控制質量，確保鋼筋綁扎過程中的骨架穩定性，以保證建筑質量。

參考文獻：

[1] 王蕾，高層建筑轉換層結構設計與施工研究[J]，城市建設理論研究，2012（36）：57-58

[2] 王春偉，高層建筑轉換層結構設計中的問題分析[J]，黑龍江科技信息，2011（23）