帶結構轉換層的高層建筑結構設計初探

皇甫濤

（中交鐵道設計研究總院有限公司 北京 100088）

引言

現階段，我國很多高層建筑均采用了帶結構轉換層設計，有利于提高建筑物的功能和性能，發揮其多元價值。但在進行結構設計時，一些設計師受專業技術水平、業主要求等因素的影響，難以保障設計質量，存在嚴重的安全隱患。因此，需要掌握結構設計的原則和要求，采取針對性的管理措施，以保障設計質量，避免出現安全隱患等問題。

1 淺析結構轉換層的概況及設計原則

1.1 概況

通常情況下，當高層建筑的上下兩部分存在使用功能差異時，往往會采用不同的結構設計方式，以滿足各自的需求。在這種情況下，需要對該樓層進行結構轉換，確保建筑物整體結構的穩定性。因此，這個樓層就是結構轉換層。在探究結構轉換層的功能時，可根據結構轉換的實現方式進行分析，大致可分為以下三類：①轉換結構類型。這種設計方式一般應用在框架剪力墻結構中，將上下部結構進行轉換，有利于擴大內部空間。②柱網、軸線轉換。該類設計方式并不會改變建筑的上下結構，而是增加了下層的柱距，使其形成網狀結構，有利于擴大下層結構的入口空間。③結構形式、軸線規劃同時轉換。當對上部剪力墻結構進行轉換時，需要同時改變下層柱距，以形成結構差異，促使上下樓層存在不對稱的現象，從而滿足不同結構的需求[1]。

1.2 設計原則

目前，我國結構轉換層主要有以下幾種類型，如箱型轉換層、梁式轉換層、桁架轉換層、板式轉換層等。設計師應根據實際工程需要，采用不同的結構類型，以保障高層建筑的結構設計質量。但還要遵循一定的原則：①做好數據的收集與計算工作，保障結果的精準性。②做好建模工作，將這些數據上傳至計算機系統中，并按照一定的比例進行輸出，確保建模設計效果，便于分析問題。③當對整體結構計算時，至少采用兩種計算模型，合理分析高層建筑結構的彈塑性、抗震能力、載荷能力等，確保結構轉換層設計質量。

2 探究帶結構轉換的高層建筑結構設計

2.1 工程實例

以內蒙古某住宅工程為例，該工程采用框支剪力墻結構體系。地下2層，地上24層，轉換層位于地上3層。其中，1～3層為商業，層高分別為4.5m、3.9m、4.8m；4～24層為住宅，層高均為3m；該項目建筑高度約為76m，每個單體建筑的建筑面積約為1.6萬m2。

地下2～3層結構按照框架剪力墻進行布置，為滿足整體建筑的抗震性能，核心筒及四周部分剪力墻落地，中間部分為滿足建筑商業需求，采用框支柱、框支梁等轉換構件對上部結構進行轉換。

2.2 方案設計

在進行設計時，需要考慮結構的類型，根據我國現有的結構轉換層理念可知，主要包括箱型轉換層、梁式轉換層、桁架轉換層、板式轉換層等幾種，都可以擴大下層結構的空間，以滿足商業空間的需求。設計師在綜合考慮傳力、成本、效益、施工等方面的需求后，決定采用梁式轉換層結構。主要是因為該結構類型有很多的優勢性特點，如施工便利、受力明確、施工成本低等。同時，這種設計方式可以擴大結構內部空間，能滿足管線的布置需求，具有較高的應用價值。

在設計轉換梁截面時需要注意一些問題，首先應對轉換梁的荷載能力、受力情況等進行分析，以采用不同的截面形式。當采用托柱型設計時，要考慮截面尺寸，并進行計算，從而優化配筋率。若采用托墻型設計時，其受力結構比較復雜，不僅要考慮結構轉換層的受力情況，還要對上部墻體的分布、荷載情況進行綜合考慮，確保結構的穩定性。同時，在對轉換層構件進行設計時，需要考慮構件的豎向剛度情況，避免出現傳力突變的問題。一旦發生地震時，若存在傳力突變，會導致構件的薄弱區域產生一定的應力，影響了構件的質量和穩定性。因此，應根據該地區的地震災害情況進行綜合分析，按照Ⅶ級防震烈度的要求來提高構件的強度，確保水平力正常傳遞，保障高層建筑的質量和安全性[2]。

在進行轉換結構設計之前，首先需要熟悉建筑的標準層（住宅層）的功能布局，盡量將剪力墻布置在建筑的外側或核心筒；而室內部分盡量減少短支剪力墻的布置，采用長度較為適宜的中等尺寸的剪力墻進行布置。這種布置方式有以下幾種好處：

①外側剪力墻尤其是抗側力較弱一側的剪力墻布置位于建筑物外側能有效減少建筑的層間位移比，提升建筑的抗扭轉性能；②采用較少數量的室內剪力墻能做到傳力簡單、明確，能夠將豎向荷載簡單有效的傳遞到框支梁或框支柱上，并能避免結構的二次轉換；③室內部分布置數量較少的中等尺寸的剪力墻能有效減少室內剪力墻的軸壓比，并能提升建筑物的整體抗震、抗風性能；④合理布置剪力墻，協調轉換層上下部結構之間的側向剛度比。

在進行框支層平面布置方案設計時，需要考慮框支柱布局對上部剪力墻傳力的影響，盡量將框支柱布置在上部剪力墻軸力傳力較大位置。并考慮框支梁與框支柱的豎向剛度不同，避免因轉換構件間豎向剛度差異影響上部剪力墻的安全性和穩定性。

2.3 整體結構計算

本工程采用PKPMV2.2結構計算軟件。轉換層樓板采用彈性樓板假定，并將結構轉換層的梁進行模擬轉換，使其成為獨立的桿單元構件，若在對轉換梁進行計算時，需要將其納入到整體建筑結構計算中，并將上層樓板作為參考，避免結構轉換層出現豎向剛度變化的問題。因此，首先要對樓板的數據信息進行分析，上部水平剪力在結構轉換層的作用下，會逐步傳遞到下層結構中來，會加大樓板的荷載壓力。因此，需要對樓板進行加厚處理，有利于平均分配上部結構傳遞的水平剪力。另外，還需要利用軟件來計算上下部結構的豎向剛度，促使樓板可以均勻受力，防止出現薄弱層等問題，確保計算的精準性[3]。

經過計算，本工程主要技術指標如下：①樓層豎向構件最大水平位移與該樓層位移平均值的比值1.22；②結構扭轉為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1的比值0.75；③樓層側向剛度與相鄰上層的比值0.98；④樓層側向剛度與相鄰上三層平均值的比值1.23；⑤抗側力結構的層間受剪承載力與相鄰上一層的比值；⑥短肢剪力墻承受的傾覆力矩與結構底部（或樓層）總地震傾覆力矩的比值0.22。

計算結論：整體建筑的各項安全性指標都能完全滿足規范要求，整體結構安全可靠。

3 結束語

在市場經濟的發展下，人們的生活水平得到了快速提高，對房屋也有了更高的需求。尤其是對于帶結構轉換層的高層建筑來說，應滿足結構的多元需求，發揮其綜合效益價值。對此，本文以內蒙古某住宅工程為例，對工程的特點進行了分析，應從方案設計、整體結構計算等方面進行分析與設計，以保障結構轉換層設計質量，從而推動我國建筑事業快速發展。

[1]解雪松.論述帶結構轉換層的高層建筑結構設計[J].建材與裝飾，2017（45）：87～88.

[2]董漢鋼，溫永堅，唐道偉.解析帶結構轉換層的高層建筑結構設計[J].低碳世界，2017（28）：174～175.

[3]王軍星，李紅瑞.對高層建筑結構轉換層結構設計要點問題的再探討[J].中國新技術新產品，2014（22）：110.