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【摘要】在高层建筑转换层设计中，须根据工程本身特点和验算中受力状态的不明确等因素，选择科学合理的设计方案，确保方案设计的全面性、科学性，减少施工的风险和难度。本文介绍了转换层型式的类型及特点，分析研究了带转换层的高层建筑结构设计要点。
【关键词】转换层高层建筑结构设计
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
由于高层建筑结构下部楼层受力很大，上部楼层受力较小，正常的结构布置应是下部刚度大，墙体多、柱网密，到上部渐渐减少墙、柱的数量，以扩大柱网。这样，结构的正常布置与建筑功能对空间的要求正好相反。因此，为满足建筑功能的要求，结构必须进行“反常规设计”，即将上部布置小空间，下部布置大空间；上部布置刚度大的剪力墙，下部布置刚度小的框架柱。为了实现这种结构布置，就必须在结构转换的楼层设计水平转换构件，即转换层结构。
一、转换层型式的类型及特点
转换层根据建筑功能的需要, 可作为正常使用的楼层,但此时应有较大的层高作保证; 在层高受限制或设备专业需要时, 也可专门作为设备层。在结构型式上, 转换层可分为以下几种类型:
1、梁式转换层
一般运用于底部大空间的框支剪力墙结构体系。它是将上部剪力墙落在框支梁上, 再由框支柱支撑框支梁的结构体系。当需要纵横向同时转换时, 则采用双向梁布置。梁式转换层的设计和施工均较为简单, 传力较为明确, 是目前应用最为广泛的转换型式。它的缺点在于, 当上下轴线错位布置时, 需增设较多的转换次梁, 空间受力较为复杂, 此时应对框支主梁进行应力分析。
2、箱式转换层
当转换梁截面过大时, 设一层楼板已不能满足平面内楼板刚度无限大的假定。为了使理论假定与实际相符, 可在转换梁梁顶与梁底同时设一层楼板, 形成一个箱形梁。箱形梁转换结构, 一般宜遍布全层设置, 且宜沿建筑周边环通构成“箱子”, 即箱式转换层。箱式转换层的优点在于, 转换梁的约束强, 刚度大, 整体工作效果好, 上下部传力较为均匀, 并且建筑功能上还可将其作为“设备层”;缺点是转换梁梁中开设备洞较多, 施工复杂, 且造价较高。
3、厚板式转换层
当上下柱网错位较多, 难以用梁直接承托时, 则需做成厚板, 即板式转换层。厚板的厚度可根据柱网尺寸、上部结构荷载综合而定。板式转换层的优势在于, 下部柱网受上部结构布局影响较小, 可灵活布置。厚板刚度很大,形成一个承台, 整体性较好, 而且施工也较为便捷。但由于厚板自重很大, 地震作用也大, 容易产生震害。并且材料耗用多, 经济性也较差。
4、桁架式转换层
当高层建筑下部为大空间商场, 上部为小空间客房或写字楼, 且需设置管道设备层时, 也可采用桁架式转换层。上部柱墙可通过桁架传至下部柱墙, 而管道则可利用桁架间的空间穿行。采用桁架转换结构时, 一般宜跨满层布置,且上弦节点与上部密柱或墙肢形心宜对中。桁架式转换层的框支柱柱顶弯矩和剪力比其他几种转换型式相对较小。但此法施工复杂程度较高, 且对于轴线错位布置时难度较大。结合工程实际建筑布局情况, 并考虑经济指标及施工难易程度, 经过技术经济比较后, 决定采用梁式转换层结构型式, 也可称为框支剪力墙结构。
二、带转换层的高层建筑结构设计要点
1、设计战略
首先转换层要与建筑设计相互协调，结合封闭式开间的布置，均匀对称设置落地构件，尽量使其质量中心与刚度中心相近。通过提高落地构件的强度等级，并适当加大截面尺寸，采用钢与混凝土组合构件等方法，增强抗侧力构件在转换层以下的抗弯、抗剪刚度。
2、构件选择
转换层可供选择的构件形式有梁、桁架、空腹桁架、箱形结构，斜撑、厚板等。结合工程具体情况可具体选择转换构件。现在高层建筑的梁主筋一般采用Ⅲ级钢筋，板钢筋采用I 级钢筋。
3、配筋设计
一般高层建筑梁跨中正弯矩向支座减弱的速度比较缓慢，而支座负弯矩则衰减得很快，针对这一特点，在进行配筋设计时，框支梁下部钢筋应全部伸入支座锚固，不设弯筋，当梁跨不大时，上部支座负筋宜拉通。同时沿梁高应配置间距不大于200mm，直径不小于16 的腰筋。
4、空间设计
高层建筑一般是结构转换层和设备转换层合在同一层中，如果设计成一般层高2.9m，有些浪费空间；如果设计层高低于2.2m 以下，则该层的侧移刚度和扭转刚度过大。我们建议可以将结构转换层放在层比较高的2-3 层，设备转换层放在稍微低的4-5 层，既实现了上下层结构的转换，又节约了空间。
5、保证刚度
防止沿竖向刚度变化过于悬殊，要保证大空间层有充分的刚度。抗震设计时，要控制转换层上下层刚度变化率，使之尽量接近1，不大于2。为此可以采取控制落地剪力墙的比例，加大落地墙的厚度，提高砼的强度等级，减小洞口尺寸，使纵横连接形成筒体，还可以增设补偿剪力墙，来增加空间层的刚度。
6、高层建筑转换层的结构设计应注意问题
（1）宜低位转换，尽量避免高位转换
设置结构转换层的高层建筑属复杂的高层建筑，其结构竖向刚度存在一定程度的突变，且转换层上下附近的刚度、变位和内力都会发生突变，易形成薄弱层，对抗震不利。所以，设置转换层应坚持转换层位置宜低不宜高的观点。尽量降低转换层的层位，尤其抗震结构设计，宜避免高位转换，三层以下为宜，一般不超过六层。
（2）上下轴网力求部分对齐不错位
如果结构上部、下部的轴网全部错位，则转换层结構可能只得采用厚板式，厚板式转换层结构是所有转换层结构中缺点最多的一种形式。不仅受力不好，设计难度高，施工困难，而且极不经济。
为避免采用厚板式转换层结构，尽可能采用梁板式或其他形式的转换层结构，其必要条件就是上下轴网部分对齐，轴网对齐的比例越高，转换层结构的设计就越简单容易，结构受力更明确，经济效果更好，这方面有赖于结构与建筑方案的密切配合和协调。
（3）框支柱、剪力墙的合理布置
设置结构转换层的高层建筑，不论采用何种结构体系，都必须保证部分剪力墙直接落地；转换层下面的框支柱的柱距疏密均匀，框支柱与剪力墙（通常是核心筒）的距离位不宜太大（控制在12m 以下）。转换层以上的剪力墙应采用大开间布置。强化下部，保证下部大空间结构有足够的刚度、强度、延性和抗震能力。转换层的平面须比轴规则，保证转换大梁的刚度和出平面外的稳定性。
（4）转换大梁的设置
由于短肢剪力墙与框架柱的对应关系，相应短肢墙下的转换梁实际仅承受了位于框架柱以外的短肢墙引起的内力，大部分内力已直接传给了框架柱，仅两端突出框架柱外的短肢墙引起的剪力相对较大。因此，须采取在转换梁两端加腋的办法，以抵抗其剪力，这样不仅达到结构设计要求，亦使转换层的有效空间得到保证。
（5）结构整体计算外加局部应力分析
转换层的结构型式与普通杆件或薄壁杆件差别很大，形状复杂，内部应力集中，受力复杂。因此，设计中在整体计算控制的前提下，对转换层转换构件的分析需采取其它有限元分析程序作补充计算，最好直接选用以墙元或有限元分析为原理的计算程序进行设计，详细分析其各处的应力，按有限元计算结构进行配筋。
总之，此类建筑结构布置复杂, 在平面布置上应尽可能规则、简单、对称, 在立面、平面上应尽量保证上下刚度接近; 还要注意框支柱、框支梁构件设计的特殊性。另外, 由于转换层结构的复杂性以及工程量的巨大, 设计人员首先应该注重概念设计, 这样可以少走弯路; 其次还要在设计过程中通过查阅数据, 反复比较调整, 以得到最为合理的设计。
参考文献：
[1] 郭英伟.对高层建筑结构设计探讨[J]. 中小企业管理与科技(下旬刊). 2010(08)
[2] 章斌全.框支剪力墙转换层结构设计探索[J]. 工程建设与设计. 2003(02)
[3] 曾波,杜咏.南京市某高层商住楼框支剪力墙结构设计[J]. 建筑科学. 2000(05)
【关键词】转换层高层建筑结构设计
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
由于高层建筑结构下部楼层受力很大，上部楼层受力较小，正常的结构布置应是下部刚度大，墙体多、柱网密，到上部渐渐减少墙、柱的数量，以扩大柱网。这样，结构的正常布置与建筑功能对空间的要求正好相反。因此，为满足建筑功能的要求，结构必须进行“反常规设计”，即将上部布置小空间，下部布置大空间；上部布置刚度大的剪力墙，下部布置刚度小的框架柱。为了实现这种结构布置，就必须在结构转换的楼层设计水平转换构件，即转换层结构。
一、转换层型式的类型及特点
转换层根据建筑功能的需要, 可作为正常使用的楼层,但此时应有较大的层高作保证; 在层高受限制或设备专业需要时, 也可专门作为设备层。在结构型式上, 转换层可分为以下几种类型:
1、梁式转换层
一般运用于底部大空间的框支剪力墙结构体系。它是将上部剪力墙落在框支梁上, 再由框支柱支撑框支梁的结构体系。当需要纵横向同时转换时, 则采用双向梁布置。梁式转换层的设计和施工均较为简单, 传力较为明确, 是目前应用最为广泛的转换型式。它的缺点在于, 当上下轴线错位布置时, 需增设较多的转换次梁, 空间受力较为复杂, 此时应对框支主梁进行应力分析。
2、箱式转换层
当转换梁截面过大时, 设一层楼板已不能满足平面内楼板刚度无限大的假定。为了使理论假定与实际相符, 可在转换梁梁顶与梁底同时设一层楼板, 形成一个箱形梁。箱形梁转换结构, 一般宜遍布全层设置, 且宜沿建筑周边环通构成“箱子”, 即箱式转换层。箱式转换层的优点在于, 转换梁的约束强, 刚度大, 整体工作效果好, 上下部传力较为均匀, 并且建筑功能上还可将其作为“设备层”;缺点是转换梁梁中开设备洞较多, 施工复杂, 且造价较高。
3、厚板式转换层
当上下柱网错位较多, 难以用梁直接承托时, 则需做成厚板, 即板式转换层。厚板的厚度可根据柱网尺寸、上部结构荷载综合而定。板式转换层的优势在于, 下部柱网受上部结构布局影响较小, 可灵活布置。厚板刚度很大,形成一个承台, 整体性较好, 而且施工也较为便捷。但由于厚板自重很大, 地震作用也大, 容易产生震害。并且材料耗用多, 经济性也较差。
4、桁架式转换层
当高层建筑下部为大空间商场, 上部为小空间客房或写字楼, 且需设置管道设备层时, 也可采用桁架式转换层。上部柱墙可通过桁架传至下部柱墙, 而管道则可利用桁架间的空间穿行。采用桁架转换结构时, 一般宜跨满层布置,且上弦节点与上部密柱或墙肢形心宜对中。桁架式转换层的框支柱柱顶弯矩和剪力比其他几种转换型式相对较小。但此法施工复杂程度较高, 且对于轴线错位布置时难度较大。结合工程实际建筑布局情况, 并考虑经济指标及施工难易程度, 经过技术经济比较后, 决定采用梁式转换层结构型式, 也可称为框支剪力墙结构。
二、带转换层的高层建筑结构设计要点
1、设计战略
首先转换层要与建筑设计相互协调，结合封闭式开间的布置，均匀对称设置落地构件，尽量使其质量中心与刚度中心相近。通过提高落地构件的强度等级，并适当加大截面尺寸，采用钢与混凝土组合构件等方法，增强抗侧力构件在转换层以下的抗弯、抗剪刚度。
2、构件选择
转换层可供选择的构件形式有梁、桁架、空腹桁架、箱形结构，斜撑、厚板等。结合工程具体情况可具体选择转换构件。现在高层建筑的梁主筋一般采用Ⅲ级钢筋，板钢筋采用I 级钢筋。
3、配筋设计
一般高层建筑梁跨中正弯矩向支座减弱的速度比较缓慢，而支座负弯矩则衰减得很快，针对这一特点，在进行配筋设计时，框支梁下部钢筋应全部伸入支座锚固，不设弯筋，当梁跨不大时，上部支座负筋宜拉通。同时沿梁高应配置间距不大于200mm，直径不小于16 的腰筋。
4、空间设计
高层建筑一般是结构转换层和设备转换层合在同一层中，如果设计成一般层高2.9m，有些浪费空间；如果设计层高低于2.2m 以下，则该层的侧移刚度和扭转刚度过大。我们建议可以将结构转换层放在层比较高的2-3 层，设备转换层放在稍微低的4-5 层，既实现了上下层结构的转换，又节约了空间。
5、保证刚度
防止沿竖向刚度变化过于悬殊，要保证大空间层有充分的刚度。抗震设计时，要控制转换层上下层刚度变化率，使之尽量接近1，不大于2。为此可以采取控制落地剪力墙的比例，加大落地墙的厚度，提高砼的强度等级，减小洞口尺寸，使纵横连接形成筒体，还可以增设补偿剪力墙，来增加空间层的刚度。
6、高层建筑转换层的结构设计应注意问题
（1）宜低位转换，尽量避免高位转换
设置结构转换层的高层建筑属复杂的高层建筑，其结构竖向刚度存在一定程度的突变，且转换层上下附近的刚度、变位和内力都会发生突变，易形成薄弱层，对抗震不利。所以，设置转换层应坚持转换层位置宜低不宜高的观点。尽量降低转换层的层位，尤其抗震结构设计，宜避免高位转换，三层以下为宜，一般不超过六层。
（2）上下轴网力求部分对齐不错位
如果结构上部、下部的轴网全部错位，则转换层结構可能只得采用厚板式，厚板式转换层结构是所有转换层结构中缺点最多的一种形式。不仅受力不好，设计难度高，施工困难，而且极不经济。
为避免采用厚板式转换层结构，尽可能采用梁板式或其他形式的转换层结构，其必要条件就是上下轴网部分对齐，轴网对齐的比例越高，转换层结构的设计就越简单容易，结构受力更明确，经济效果更好，这方面有赖于结构与建筑方案的密切配合和协调。
（3）框支柱、剪力墙的合理布置
设置结构转换层的高层建筑，不论采用何种结构体系，都必须保证部分剪力墙直接落地；转换层下面的框支柱的柱距疏密均匀，框支柱与剪力墙（通常是核心筒）的距离位不宜太大（控制在12m 以下）。转换层以上的剪力墙应采用大开间布置。强化下部，保证下部大空间结构有足够的刚度、强度、延性和抗震能力。转换层的平面须比轴规则，保证转换大梁的刚度和出平面外的稳定性。
（4）转换大梁的设置
由于短肢剪力墙与框架柱的对应关系，相应短肢墙下的转换梁实际仅承受了位于框架柱以外的短肢墙引起的内力，大部分内力已直接传给了框架柱，仅两端突出框架柱外的短肢墙引起的剪力相对较大。因此，须采取在转换梁两端加腋的办法，以抵抗其剪力，这样不仅达到结构设计要求，亦使转换层的有效空间得到保证。
（5）结构整体计算外加局部应力分析
转换层的结构型式与普通杆件或薄壁杆件差别很大，形状复杂，内部应力集中，受力复杂。因此，设计中在整体计算控制的前提下，对转换层转换构件的分析需采取其它有限元分析程序作补充计算，最好直接选用以墙元或有限元分析为原理的计算程序进行设计，详细分析其各处的应力，按有限元计算结构进行配筋。
总之，此类建筑结构布置复杂, 在平面布置上应尽可能规则、简单、对称, 在立面、平面上应尽量保证上下刚度接近; 还要注意框支柱、框支梁构件设计的特殊性。另外, 由于转换层结构的复杂性以及工程量的巨大, 设计人员首先应该注重概念设计, 这样可以少走弯路; 其次还要在设计过程中通过查阅数据, 反复比较调整, 以得到最为合理的设计。
参考文献：
[1] 郭英伟.对高层建筑结构设计探讨[J]. 中小企业管理与科技(下旬刊). 2010(08)
[2] 章斌全.框支剪力墙转换层结构设计探索[J]. 工程建设与设计. 2003(02)
[3] 曾波,杜咏.南京市某高层商住楼框支剪力墙结构设计[J]. 建筑科学. 2000(05)