高層建筑中轉換層結構的應用和發展

楊拓

（天津城建大學建筑設計研究院）

隨著我國經濟日新月異的發展及城市建設的需要，結構設計越來越復雜科學。尤其是現今社會中城市寸土寸金的現狀，對高層建筑的需求大量增加。為了滿足多功能、綜合的用途，在同一座樓中往往下部是商場、餐廳，中層是辦公室，高層是住宅。這種設計中，上部剛度大于下部，必須設置轉換層。轉換層既能滿足建筑功能上的需要，又能滿足可靠性的需要。受力上能使上部結構的力均勻的轉遞，轉換層既能承擔很大的豎向力，又能使水平地震中的建筑安然無恙。為了結構的合理性和安全性，必須加大重視和研究轉換層，這樣才能使人們所居住的建筑功能全，外觀美，而且安全性很高。

1 轉換層的應用

1.1 轉換層的結構

轉換層的結構形式主要有四種：

（1）實腹梁轉換；

（2）桁架轉換；

（3）箱形轉換；

（4）厚板轉換。

1.2 轉換特點

1.2.1 實腹梁轉換

實腹梁是應用最多的轉換形式，它受力合理簡單、施工簡單、轉換傳力途徑優良。實腹梁轉換層采用剪力墻和框支梁同框支柱結合的形式，廣泛的應用于底層是商場、飯店，上部為住宅、公寓的高層建筑。實腹梁與上層剪力墻共擔豎向及水平負荷。當然，實腹梁也有不足的地方，由于下部空間較大，使得轉換梁的跨度極大，這需要大梁有很強的抗彎、抗剪能力。為了增強這種能力，只能通過增大轉換梁的橫截面來實現，因此對于建筑的外觀有一定的影響。而且重量增大之后，容易形成上下剛度突變，對于抗震十分不利。

1.2.2 桁架轉換

相較于梁式轉換層，桁架式轉換層的受力狀況更加明顯，其抗震性更強、自重更小。在建筑工程中應用桁架式轉換層結構，能夠有效確保建筑安全。然而，在節點設計方面，桁架式轉換結構設計難度較高，施工難度大，在建筑工程中的應用并不廣泛。對于高度超過3m的轉換層，應用桁架式轉換結構較為合適。在應用這一結構形式時，設計師可以配合使用預應力技術，將構件截面減小，從而提高建筑質量，減少施工成本。

1.2.3 箱式轉換

將轉換層兩層樓板加厚后與實腹梁結成一體就是箱形轉換。箱形轉換層的面內剛度大，重量介于實腹梁與厚板轉換之間。這種結構形式能承受上下柱網變動較大的情形，建筑布局十分靈活。但是缺點是上下剛度突變大，高位轉換不易，施工困難，造價很高。

1.2.4 厚板轉換

厚板轉換的優點是，建筑結構和軸網可以隨意設置在轉換層上，在十分復雜的建筑施工中，采用厚板轉換能夠有良好效果。厚板轉換的缺點是，受力復雜、傳力途徑難以明確，轉換板本身受限制，導致轉換層面剛性突變。如果如此，轉換層十分薄弱，難以保障建筑的抗震性能。因此，設計和施工時謹慎選擇此種形式。

2 高層建筑的設計原則

高層建筑的結構設計原則，應該注重概念設計，重視結構和平立面的規則性，注意抗震和抗風。在抗震效果上，必須使整個結構具有必要的剛度、承載力和延性。

基本要求是：

（1）結構有必要的剛度、變形能力。

（2）因局部破壞不能導致整個結構破壞。

（3）應該有多道抗震方式。

（4）避免局部變化和扭轉效應造成的薄弱部位。

（5）加強可能的薄弱部位。

建筑的合理性和經濟性從設計階段就應重視，概念設計的重要性還在于方案設計之初。轉換方式的選擇和研究一開始就應該貫徹在高層建筑的設計之初，這是不可或缺的一步。

抗震設計：

建筑物在遭遇低于設防烈度的地震時，不損壞可繼續使用；在遭遇抗震設防烈度預估的罕見地震時，不致倒塌或嚴重破壞。目標是“小震不壞，設防烈度可修，大震不倒”。

在概念設計時，建筑物的結構布置應該對稱、規則并且受力簡單、傳力合理，具有一定的整體性。抗震就是在地震發生時，結構在較大位移時結構的抗側力無明顯降低，并且維持承受重力載荷的能力，避免建筑破壞。

3 轉換層的發展

3.1 國外轉換層結構的發展

早在1929年，Matel就貢獻了柔性大空間的概念，自此之后，不斷有人對這種結構進行分析。在20世紀50、60年代，前蘇聯、東歐的一些專家首先嘗試了通過轉換層形成底部大空間的方案。下部為框架結構，上部為剪力墻結構，并且這種柔性底層隔震，提高了高層建筑的抗震能力。從那時起，很多這種結構的高樓大廈都付諸應用。但是此種柔性底層建筑的隔震、抗震能力沒有想象的美好。歷史上的地震很多都超過了7.2級，1964～1988年的前南斯拉夫的可比耶大地震等地震中，這樣的建筑沒有能夠抵抗住震動，表現出較低的抗震能力。地震中的很多建筑受到嚴重破壞，尤其是下部結構，這促使人們進一步研究提高建筑的抗震能力。

之后的學者用位移變形增強了轉換層抗震能力，這是一個具有重要意義的實驗成果，控制每層的位移和層間位移角，使數據值的大小在合理的極限范圍內，以此提高抗震能力。20世紀90年代，美國的一部分專家對抗震設計方法和理念進行研究，直到現在，相關的研究和探索一直在進行中。

3.2 國內的轉換層的發展

在我國，20世紀70年代開始逐漸應用轉換層結構，只是在底層設置大開間剪力墻，僅此而已。1975年，就是在上海天目路建設了十二層高層建筑的結構住宅樓，并通過應力實測、模型試驗和框支剪力墻有限元進行分析研究。1986年的中國建筑科學研究院在地震波的作用下對結構模型進行擬動力實驗研究。此模型是十二層的底層大空間結構，上部是剪力墻結構。通過此實驗得到了一些抗震性能和破壞參數，并研究了此結構存在的主要問題。1996年，我國的建筑科學研究院與東南大學對一榀1/4比例的鋼筋混凝土上部開洞剪力墻轉換大梁結構模型進行了實驗研究。1999年，同濟大學對比分析了高層建筑梁式和桁架式轉換層兩種形式在不同載荷下的承載力和破壞形式，結合實驗模型進行了實驗研究分析。2001年，中國建筑科學研究院抗震研究所研究了轉換梁與上部墻體之間的關系，分析了對轉換層結構承載力的影響。2003年，香港大學土木工程系對一棟帶有轉換梁的七層樓進行了抗震性能的研究分析。

近年來，隨著高層建筑使用功能的提高和建筑的多樣化，結構形式也呈現越來越復雜的趨勢。隨著我國工程經驗的不斷豐富積累和科研力量的增強，我國也陸續推出了高層建筑結構設計、內力調整等相關的規范，如《建筑抗震設計規范》等。

4 高層建筑轉換層設計注意事項

4.1 保證轉換層剛度

轉換層的剛度直接決定著轉換層的質量，決定著生命財產安全，尤其是對于高層建筑來說。轉換層結構部位會使建筑產生突變，導致成為整個建筑的最薄弱的部位，降低建筑抗震性。設計者在轉換層設計時，應該保證其剛度不低于上部結構剛度的70%。因此需要對轉換層內部剪力墻合理安排，適當增大厚度，使用高強度混凝土。還應該按照筒體結構布置縱橫墻，嚴格保障轉換層剛度。

4.2 合理安排轉換層位置

建筑物的高度越高，建筑內部的受力效果越呈現上升趨勢。如果轉換層設置在較高位置，會影響建筑上下層的剛度和受力形式，還會改變轉換層內部受力狀況，導致轉換層成為最薄弱部位。一般情況下，轉換層位置設置在三層之下較為理想。

5 結束語

隨著時代的大踏步前進，未來的高層建筑的結構會越來越復雜；但是，隨著我們的研究實驗水平的探索提高，一定能夠滿足時代的變化。目前的轉換層高層建筑大量涌現，但是，目前的研究在動力特性和抗震性能方面還有不足，尚需努力。轉換層也應該多元化發展，結構設計和施工是相輔相成的關系，經過不懈的努力，一定可以完美結合設計與施工。