1、复杂高层建筑转换层的结构设计摘要：随着我国经济稳步前进，各地高层建筑如雨后春笋，其结构类型和功能更加趋向于多样化和复杂化。带转换层的高层建筑结构作为高层商住楼中常用的一种结构体系，满足了城市规划和建筑使用功能的要求。转换层竖向构件的不连续和上下结构体系的转变，易使转换层附近的内力和刚度发生突变，甚至出现了抗震薄弱环节，导致传力路线不明确。所以精心设计带转换层的高层建筑结构就显得特别重要。基于此，本文就转换层的类型以及特点进行阐述，着重分析了复杂高层建筑梁式转换层的结构要点设计，以资参考。 关键词：带转换层；高层建筑；结构设计 中图分类号： TU318 文献标识码： A 一、概述 随着我国经济的
2、飞跃发展，为了满足多用途、多功能及造型新颖的需要，建筑设计经常会构思出体型复杂，内部空间灵活多变的复杂高层建筑方案，其结构型式通常都是不规则的，有些甚至是非常不规则的，从而使结构抗震设计遇到了许多难点。多功能的高层建筑，往往需要将建筑物沿竖向划分为不同用途的区段，诸如底部为大空间的厅堂、商场、交通通道，上部用于酒店客房、住宅等。这些建筑的竖向承重结构构件往往不能上下连续，需要设置转换层，通过转换构件来实现上、下竖向构件的过渡。近十几年来带转换层的高层建筑结构由于其底部大空间，使用灵活方便，在国内得到了广泛应用。 建筑物某楼层的下部与上部因平面使用功能不同，采用不同的结构（设备）类型于该楼层上部
3、与下部，并通过该楼层进行结构（设备）转换，则将该楼层称为结构（设备）转换层。目前高层建筑多有上部住宅，低层商用的多功能要求。为此，上部住宅要求的多墙多柱的小空间分隔与低层商用要求的大空间之间便需要进行转换处理。其中空腹桁架、梁式转换层、箱形和板式转换层、斜杆桁架为转换处理常常采用的结构形式。 二、转换层的类型及特点 （一） 、箱型转换层 该结构形式即双向托梁、单向托梁连接上下层较厚楼板共同工作，箱形转换层可以形成的刚度很大。转换层本身的优点是整体性很好，当转换层上部结构布置较复杂时，上下竖向构件有效的传力仍可以得到保证。但从建筑上来看，它会直接占用整个楼层的使用面积，通常使得该楼层只能作为设备
4、层使用。同时，转换层内部的管线布置、设备布置与剪力墙往往会发生冲突。其缺点是造价高、自重大等；其内力作用从结构分析角度考虑，施工难度及结构设计都较大，因此很少应用在实际工程中。 （二） 、梁式转换层 框支剪力墙结构体系一般运用于底部大空间中。当需要同时转换纵横两个方向时，则采用双向梁布置。梁式转换层的传力较为明确,施工和设计较为简单，是转换型式中目前应用最为广泛的。当上下轴线错位布置时，它的缺点在于,转换次梁需增设多个, 空间受力比较复杂，此时应对框支主梁进行应力分析。 （三） 、桁架式转换层 由梁式结构转换层变化而来的这种结构形式，是由多榀钢筋混凝土桁架组成的结构，在转换层上下楼面的结构层内
5、分别设桁架的上下弦杆，腹杆设在层间。由于桁架高度较高，所以下弦杆截面尺寸相对较小。桁架分为实腹桁架和空腹桁架两种，它可以是钢筋混凝土桁架，也可以是钢桁架，在钢筋混凝土高层结构中常用钢筋混凝土桁架。它的整体性与梁式转换层相比要好，而且自重较小、抗震性较好，受力性也更加明确，便于管道的安装与维护等，但在施工上较为复杂，在设计上表现为节点的设计难度较大。桁架转换层的基本设计原则是“强节点，强斜腹杆” ，而节点容易发生剪切破坏，受力复杂，造成配筋过多。桁架转换式通常在 3m 以上对其高度进行要求，否则很容易形成斜压杆件中超短柱，地震作用下容易产生脆性破坏。 （四） 、厚板式转换层 板式转换层即是当上下
6、柱网难以用梁直接承托，错位较多时，则需做成厚板。可根据上部结构荷载、柱网尺寸综合定出厚板的厚度。板式转换层的优势在于，上部结构布局对下部柱网的影响较小，可灵活布置。厚板式结构可以形成一个承台，刚度很大，施工较为便捷，而且整体性也较好。但在地震作用下，由于厚板自重很大，容易产生震害，且经济性较差，材料耗用多。 三、复杂高层建筑转换层的结构设计要点 （一） 、部分框支剪力墙结构在地面以上设置转换层的位置 底部带转换层的大空间剪力墙结构的迅速发展，促使许多工程的转换层位置在地震区已较高，一般做到 36 层，甚至有位于 710 层的特殊工程转换层，中国建筑科学研究院针对框支剪力墙结构抗震性能，研究了转
7、换层高度的影响。其研究得出，转换层位置较高时，在转换层附近更易使框支剪力墙结构的内力、刚度发生突变，容易形成薄弱层，转换层下部的框支结构及落地剪力墙很容易屈服和开裂，上部几层墙体在转换层附近易于破坏。因此，转换层的位置不宜太高。我国规范也做了相应规定：度时不宜超过 3 层，度时不宜超过 5 层，度时可适当提高。由于转换层位置的升高，结构传力路径变得越复杂、内力变化较大，规定的剪力墙底部加强范围也随之增大，可取转换层加上转换层以上两层的高度或者房屋总高度的 1/10 两者的较大值。因此，在实际工程中转换层位置的选择应根据受力合理，经济可行的原则进行确定。 （二） 、托柱形式转换梁截面设计 当上部
8、结构用普通框架转换梁承托时，在常用截面尺寸范围内，和普通梁相比转换梁的受力基本相同，进行配筋计算可按普通梁截面设计方法；当上部用斜杆框架转换梁承托时，将承受轴向拉力于转换梁内，此时进行截面设计应按偏心受拉构件。此外，由于转换结构上层框架梁柱受力复杂且会出现应力集中，设计时应按相关规范予以加强。 （三） 、托墙形式转换梁截面设计 实际工程中，托墙型式转换层结构的内力计算方法可以在整体空间分析程序计算的基础上，利用 PKPM 结构设计系列软件中的 FEQ 程序对框支剪力墙进行有限元分析及配筋设计。计算简图可近似取转换层以上的34 层墙体和下部一层结构作为有限元的分析模型。下部一层的框支柱下端的约束
9、条件可取为固接。 当转换梁承托的上部墙体满跨不开洞布置时，上部墙体与转换梁共同工作，其受力特征与破坏形态表现为深梁，此时转换梁截面设计方法宜采用应力截面设计方法或深梁截面设计方法，且应沿全梁高适当分布配置计算纵向钢筋。由于上部墙体中拱效应的存在以及转换梁与上部墙共同发生弯曲变形使得转换梁处于整体弯曲变形的受拉翼缘，因此会在转换梁跨中存在较大范围的轴向拉力，故不宜弯起和截断底部纵向钢筋，应全部伸入支座。当转换梁承托开较多门窗洞且上部墙体满跨或剪力墙的长度较大但不满跨时，转换梁截面设计方法也宜采用应力截面设计方法或深梁截面设计方法，则沿梁下部适当配置分布纵向钢筋，且不宜弯起和截断底部纵向钢筋，应全
10、部伸入支座。当转换梁承托的上部墙体为小墙肢时，进行配筋计算时可按普通梁的截面设计方法，在转换梁的底部纵向钢筋亦可按普通梁集中布置。 （四） 、转换层楼板设计要点 以转换层为上下结构体系转换分界面的框支剪力墙结构中，竖向荷载和水平荷载在上下两部分引起的内力分布规律是不同的。在上部楼层，大体上按各片剪力墙的等效刚度比分配外荷载产生的水平力；而在下部楼层，由于落地剪力墙与框支柱间的刚度差异，水平剪力主要集中在落地剪力墙上，即在转换层处荷载产生分配突变。完成上下部分剪力重分配的任务就由转换层楼板承担。由于自身平面内的剪力和弯矩在转换层楼板中是很大的，而且变形也很大，所以必须有足够的刚度为转换层楼板作保
11、证。实际工程中，转换层楼板通常采用的厚度为 200 mm，三级钢直径 14 间距 100 双层双向整板拉通配置，配筋率达到 0.28%，满足规范要求。混凝土标号通常与转换墙柱的砼标号一致。 四、总结 通过工程实践，体会到在对带转换层的高层建筑结构进行分析设计时，其结构布置往往比较复杂。因此，应尽可能使其在平面布置上简单、规则、对称，并应尽量保证在平面、立面上刚度接近；还要注意框支梁、框支柱构件设计的特殊性。另外，由于转换层结构的工程量巨大以及复杂性，设计人员应重视对转换层结构的基本概念的把握，这样可以少走弯路；其次在设计过程中还要通过查阅数据, 反复比较调整，以得到最为合理的设计成果。 参考文献 1谢晓锋. 高层建筑转换层结构型式的应用现状及问题J. 广东土木与建筑,2004,02:9-11. 2沈荣飞. 复杂高层建筑结构的若干关键设计技术研究D.同济大学,2007. 3谭丽娜. 带梁式转换层的复杂高层结构倒塌机理研究D.西安建筑科技大学,2011. 4张宗霏. 高层建筑转换层结构方案选择与优化分析D.河北工程大学,2011.
