基于轉換層結構設計中的要點問題分析

王曉 白亮

【摘要】本文首先分析了建筑工程轉換層的特點，然后就建筑轉換層結構的布置、抗震設計、轉換層上下結構側向剛度比等方面進行了詳細的探索研究，最后論述了建筑轉換層結構設計中應注意的一些問題，以下就此進行詳細闡述。

【關鍵詞】轉換層； 結構布置； 設計

一、前言

隨著我國科學技術的不斷進步與發展，轉換層結構設計越來越受到企業及施工單位的重視，本文就該部分內容展開了分析。

二、建筑工程轉換層的特點

工程中經常遇到的帶轉換層的結構形式即為底層大空間剪力墻結構，即結構的部分剪力墻落地，部分剪力墻在底部變為框架，這種結構形式的受力特點是為：底層大空間剪力墻結構以轉換層為界，其上部所有剪力墻變形曲線相似，由水平外力產生的樓層剪力按各片剪力墻的等效剛度比例分配，其下部由于框支剪力墻的側向剛度急劇變小，使底層框架承擔的水平力也迅速減小，而落地剪力墻在底層承擔的水平力卻迅速增加。水平力在底層分配關系迅速改變，這種改變是通過轉換層的剛性樓板對內力的傳遞作用而實現的。轉換層樓板在完成上下樓層剪力重新分配的同時，自身在平面內受到很大的力，也產生了較明顯的平面內變形，從而影響了關于樓板平面剛度無限大的基本假定。

當底層框支柱和落地剪力墻按等效剛度分配水平力時，由于框支柱的側向剛度通常不到剪力墻側向剛度的1%，因此在計算中它所承擔的水平力是極小的。但當轉換層樓板有變形時，底層在框支柱區域內水平位移達到最大，從而使框支柱實際受到的剪力要比理論分析所得到的剪力大得多。以上受力特點表明，轉換層上下附近的受力狀況是比較復雜的，在工程設計時必須對落地剪力墻和框支柱留有安全儲備。

三、轉換層結構形式與設計方法

1、梁式轉換層結構

梁式轉換層結構是高層建筑中經常采用的一種形式。其主要是將墻轉換成梁柱的形式，在具體的施工過程中，能夠明確和了解傳力途徑。因此，采用這種轉換層結構簡單、清楚且施工成本低。正因為其有這種優點，在高層建筑轉換層結構中應用廣泛。由于建筑結構多樣化，在實際工程建設中，轉換梁的結構形式也趨于多樣化。轉換梁所承受的荷載力來源于豎向桿件荷載作用下的受力情況。通過對不同結構性形式轉換梁的受力規律進行分析和研究，可以了解轉換梁設計方法受荷載作用和轉換層的形式影響較大。

2、桁架式轉換層結構

桁架式轉換結構的受力規律較為清晰，使用起來比較靈活，還能起到良好的抗震效果。這種轉換層結構是梁式轉換層結構演變而來的，其整個轉換層是由鋼筋混凝土結構組成，桁架結構的上下桿件布置在轉換層的上下樓面結構層內。桁架結構高度很高，其下部桿件的界面尺寸較小。雖然桁架式轉換層結構的整體性能好，但是在施工處理方面卻比較復雜，施工難度較大。

3、箱式轉換層結構

箱式轉換層結構形式是單向、雙向托梁與上下層樓板之間共同工作情況下形成的。其整體性能較好，在上下層結構布置過程中，具備有效的傳力。從高層建筑結構來看，其占用太大的空間，不適用于住宅轉換層的設計，由于轉換層結構設計經常會與設備布置和管道布置發生沖突。

4、厚板厚梁式轉換層結構

高層建筑結構中，當上下柱網軸線錯開較大，需要用厚板進行直接承重，形成厚板式轉換層結構，這種轉換層結構形式可以靈活布置下層柱網，不需要與下層結構對齊。但是，采用這種結構形式的自重大，施工材料消耗較大，使得成本增加。厚板式轉換層結構的強度大，使上層結構的布置更加方便；由于傳力模糊不清，導致結構計算受到限制，影響整體結構設計。

四、工程設計中應著重注意的幾個問題

底層大空間剪力墻結構以轉換層為界，其上部所有剪力墻變形曲線相似，由水平外力產生的樓層剪力按各片剪力墻的等效剛度比例分配，其下部由于框支剪力墻的側向剛度急劇變小，使底層框架承擔的水平力也迅速減小，而落地剪力墻在底層承擔的水平力卻迅速增加。水平力在底層分配關系迅速改變，這種改變是通過轉換層的剛性樓板對內力的傳遞作用而實現的。轉換層樓板在完成上下樓層剪力重新分配的同時，自身在平面內受到很大的力，也產生了較明顯的平面內變形，從而影響了關于樓板平面剛度無限大的基本假定。當底層框支柱和落地剪力墻按等效剛度分配水平力時，由于框支柱的側向剛度通常不到剪力墻側向剛度的1%，因此在計算中它所承擔的水平力是極小的。但當轉換層樓板有變形時，底層在框支柱區域內水平位移達到最大，從而使框支柱實際受到的剪力要比理論分析所得到的剪力大得多。在設計中需要注意以下幾個問題：

1、避免結構沿豎向剛度突變。對于底層大空間層可通過提高混凝土強度和加大豎向構件（框支柱、落地剪力墻）尺寸等措施來提高樓層的抗推剛度，使上下層剪切線剛度比（γ）不大于2（抗震區）。

2、為確保底部大空間各樓層的抗震可靠性，在計算時將底層水平力全部由落地剪力墻來承擔，各片剪力墻之間按其等效剛度比例分配相應承擔的水平力，而所有框支柱至少承擔20%的樓層剪力，框支柱的柱端彎矩應按調整后的剪力計算。

3、為了保證轉換層樓板的剛度和強度，使其更好地傳遞水平力，轉換層樓板的厚度不宜小于18 cm，并且應雙向雙層配筋，每層每一方向配筋率不小于0. 25%。

五、轉換層結構的抗震設計的注意事項

1、抗震設計時，高位轉換對結構受力十分不利。計算分析說明，在水平地震作用下，傾覆力矩分布曲線在轉換層處呈現轉折，轉換層下部是以剪力墻為主的框架-剪力墻結構，落地剪力墻所分配的傾覆力矩由轉換層往下遞增較快，而支撐框架的傾覆力矩遞增很少。

2、在轉換層處，框支剪力墻的大量剪力通過樓板傳遞給落地剪力墻，這也是傾覆力矩曲線呈現轉折的原因。當轉換層位置較高時，剪力分配和傳力途徑亦發生急劇的突變，落地剪力墻更容易產生裂縫，框支剪力墻在轉換層上部的墻體所受內力很大，易于破壞，轉換層下部的支承框架更易于屈服，從而容易形成幾個薄弱層。因此，為保證設計的安全性，規定部分框支剪力墻結構轉換層的位置設置在3層以上時，其框支柱、剪力墻底部加強部位的抗震等級宜按高規規定提高一級采用，已經為特一級時不再提高，提高其抗震構造措施，而對于底部帶轉換層的框架-核心筒結構和外圍為密柱框架的筒中筒結構的抗震等級不必提高底部帶轉換層的高層建筑在我國已大量建造，但至今未經受到大地震的考驗。其轉換層上部樓層的部分豎向構件不能連續貫通至下部樓層，因此，轉換層是薄弱樓層，其地震剪力需乘以1.15的增大系數。設計中不要誤認為只要樓層側向剛度滿足要求，該樓層就不是薄弱層。

3、對轉換層的轉換構件水平地震作用的計算內力需調整增大；8度抗震設計

時，還應考慮豎向地震作用的影響。轉換構件的豎向地震作用，可采用反應譜方法或動力時程分析方法計算：作為近似考慮，也可將轉換構件在重力荷載標準作用下的內力乘以增大系數1.1，高規中對框支柱的內力增大幅度比較高；轉換層位置在3層及3層以上的結構對抗震更為不利，其內力增大幅度也適當提高。

六、結束語

加強對轉換層結構設計的研究，可以使建筑整體的質量得到更好的保障，也可以使建筑的使用年限得到延長，是非常具有現實意義的研究。

參考文獻：

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