1、高层建筑转换层结构设计研究摘要：随着社会经济的迅速发展，我们对高层建筑的需求日益增多，高层建筑的功能向综合化、全面化以及多样化发展的趋势也愈发显著。因组成高层建筑的各部分使用功能不尽相同，其结构形式的选择及柱网布置施工等都是工程建设中的难题。本文从转换层的定义与设计原则出发，预估了转换层结构设计的发展趋势，介绍了其主要的结构形式和特点，并分析了转换层结构的设计要点。 关键词：高层建筑；转换层；设计原则；结构形式；设计要点 Abstract: along with the rapid development of social economy, our demand for high-rise
2、buildings, high-rise building of the function to the integrated, comprehensive and diversified development trend is also increasingly significant. Because of all the parts of the high-rise building use function, its structure form selection and column grid layout construction is one of the most diff
3、icult problems in engineering construction. In this paper, starting from the definition and design principles of conversion layer, forecasts the development trend of the conversion layer structure design, and introduces its main structure and characteristics of the conversion layer structure design
4、points were analyzed. Key words: high-rise buildings; The transformation layer; Design principles; Structure; Design points 中图分类号：TU318 文献标识码：A 文章编号：2095-2104(2013) 现代的高层建筑向着多功能的趋势发展，在竖直方向上，高层建筑的不同位置需要设置不同的开间以及结构形式。就建筑功能而言，上部的住宅和旅馆用房要求小开间的轴线布置，需要较多墙体；中部的办公用房则需要小或中等的室内空间；而下部的公用部分要求有尽可能大且灵活自由的空间，其柱网要足
5、够大，墙体应尽量减少甚至完全避免墙体。为实现该结构布置，须在结构形式转变的楼层设转换层，以确保结构受力得以正确传递，此外，转换层的设计还会直接影响结构尺寸的确定。 1 转换层定义 通常情况下，高层建筑的下部结构受力比较大，而上部的结构受力相对偏小，为确保建筑整体的安全性能，须确保高层建筑的下部结构足够牢靠。因此，通常其下部的结构布置要求刚度大、柱网密、墙体多，越往上层建造，所需柱、墙的数量均相应减少。使得整个建筑物出现上部活动空间远远大于下部，不满足建筑各层的功能对活动空间的需求。为满足建筑功能的需求，必须突破常规设计，这就涉及到转换层结构的使用，其主要功能是在发生结构转换的楼层设置合理的水平
6、转换构件，从而在确保建筑安全的前提下使整个建筑满足使用功能。 2 转换层设计的原则 在建筑物中设置转换层会导致建筑的竖向刚度发生突变，降低了建筑结构抗震的能力，为避免这种情况发生，须遵循以下的设计原则：设置转换层的过程中尽可能采用直接落地式的竖向构件，因为需进行结构转换的竖向构件可以导致刚度突变，从而影响到结构抗震的能力；转换层结构应设置在高层建筑竖向的较低位置，遵循宜低不宜高原则；务必对转换层结构加以优化，确保所选换层结构的型式有确切的传力路径，以利于结构的分析设计同时保证施工的质量；转换的刚度不可过大，在兼顾建筑物安全以及经济的条件下，坚持宜小不宜大的原则。 3 高层建筑转换层结构设计的发
7、展趋势 随着经济的迅猛发展和科学技术水平的不断提高，带转换层的高层建筑结构形式必将更加适应市场的需求，开创新的发展途径，主要发展趋势如下：1）广泛应用钢骨混凝土，钢骨混凝土具备优良的品质，突出表现为高刚度及高承载力。一方面，可以较大程度上减少梁截面的尺寸；另一方面，钢骨混凝土自身具有很强的耐久性、可塑性及抗震性。2）钢骨混凝土的定位会有所提高。这样可以很大程度上减少支模的工作量，大大加快施工进程。目前，钢骨混凝土在我国的应用仍然较为局限，而在国外，它早已获得人们的广泛认可及肯定。 预应力混凝土高层转换层的应用非常广泛，这主要由其具备的高性能所决定的。其结构相对合理，而且在进行施工的过程中能够展
8、现诸多优点。例如：有效的减少截面尺寸、有效控制裂缝和挠度，控制工作阶段裂缝的宽度，减轻支撑的负担等。因此，该结构十分适于建造跨度较大且承重荷载偏大的转换层，同时，它具有自重小、节省混凝土和钢材等优点。 4 高层建筑转换层主要的结构形式及其特点 4.1 梁式转换 目前，在高层建筑中进行垂直转换最常采用的结构形式便是梁式转换层，其承载力的传递途径为：上部墙转换梁下部柱。其传力具有直接、明确的优点，有利于工程计算、分析及设计的进行，且造价较低，因此广为应用。相关资料显示，梁式转换层的数量占转换层总量的百分比高达 77。通常情况下，转换梁截面的高度取 0.8- 6m，高层建筑所带的转换层结构以梁式的转
9、换层为主。 4.2 箱式转换 该转换方式通过单、双向托梁与上、下层的较厚楼板浇筑成一个整体来实现，其重要优点在于：转换梁的刚度大，约束强，上、下部的传力较均匀，整体受力效果好，同时还能将其当作设备层来利用。但是，该转换形式的施工较复杂，造价也偏高。 4.3 板式转换 若转换层上、下的柱网错开较多，布置也不规则，很难直接用梁进行承托，便需要将转换层做成厚板。从抗剪及抗冲切角度考虑，转换板的厚度通常很大，可达 2.0- 2.8m。对于该形式的转换层而言，其下层柱的布置相当灵活，但其自重颇大，耗用材料偏多，施工也有相当的难度。4.4 桁架转换 桁架主要包括：空腹桁架和实腹桁架两种。相较与梁式转换层，
10、该转换层的受力更加明确，使用及活动的空间更大，自重更小，抗震性能也更优良。但是，其节点的设计十分复杂，此外还受到许多因素的制约，导致该形式无法广泛应用于高层建筑中。 4.5 斜柱转换 斜柱转换式是一种比较特殊的结构形式，它能够较好发挥混凝土受压的性能，形成数量更多，且更便于利用的建筑空间。此形式会产生比较大的水平荷载，实际工程中可结合建筑物平面的布置，通过加设圈梁或者拉梁，以最短的路径来平衡荷载。应尽量使转换斜柱通过更多的楼层，从而减小分布在上、下楼层的水平荷载，以便于转换层的设计，确保转换层的安全。 4.6 巨型框架转换 此类转换层因其具有较好的前景，成为了我国建筑行业的发展趋势。巨型框架转
11、换的抗震性能较好，主要由竖向的筒体或巨型柱以及一道或多道大梁组成，从结构角度来说，是由几个梁式转换层构成的。 5 转换层结构的设计要点 5.1 转换层下部主体结构的刚度分布 对转换层结构而言，竖向刚度的突变是设计过程中最复杂且无可避免的问题。进行抗震设计时，为确保转换层结构上、下层主体结构的总抗剪切刚度达到要求，通常须采用提高下部主体结构的竖向构件混凝土的强度等级，加大其截面尺寸，或增设剪力墙的方法。需引起注意的是:1）增大筒体的截面尺寸将导致结构的地震总反应增大，在整个下部结构的抗侧总刚度中筒体所占比重会变得更大，筒体所承受地震荷载也将出现级数增大趋势，因此，筒体作为抗震第一道防线，其安全性
12、的设计应得到更加充分的重视；2）通过剪力墙的增设提高抗侧刚度时，须注意整体的刚度分布要均匀，尽量确保质量中心与刚度中心重合，避免由两者偏心导致建筑物的整体扭转。 5.2 合理布置剪力墙对上、下刚度传递的影响 为使上、下两种结构形式的内力能够准确的传递，首先须尽量避免转换层上、下结构刚度的突变，可以从两个方面解决该问题：1）减少上部的刚度，即尽量减少上部住宅内所设置的剪力墙，且在满足轴压比要求的前提条件下尽量缩短墙肢；2）增大下部的刚度，在建筑的使用功能允许条件下，大空间层适当部位可以设置适量的落地剪力墙，同时须注意其布局的对称及均匀。 5.3 合理选择转换层的结构刚度 转换层结构的设计过程中，
13、存在转换层结构刚度的合理值问题。若转换层的刚度过大，一方面，会导致地震的反应及结构的竖向刚度突然增大，使得转换层上、下层处于更不利的受力状态；另一方面，材料的用量将增加，降低结构经济性的合理程度。若转换层的刚度过小，上方框支部分的竖向构件和其它竖向构件间可能会出现过大的沉降差，使得在上部的结构中与该部分竖向构件相连的水平构件内部产生明显的次应力，造成其配筋的增加。这一问题在正交的主次转换梁结构中的转换次梁中表现尤为突出，此时，不仅转换次梁的截面尺寸要慎重选用，还须确保转换主梁有足够的刚度，从而减小因转换主梁挠度引起的转换次梁支座沉降，进而减小因此导致的上部结构构件产生的次应力。 6 结语 高层建筑的转换层是建筑结构中的关键部位，其结构型式的选择须配合建筑方案，还应考虑每座建筑各自的结构特点。此外，还要注意任一施工环节，在了解各构件特性的基础上，合理的扬长避短，从而保证高层建筑转换层的质量。 参考文献： 1 张俊东. 高层建筑结构转换层的结构设计J. 现代经济信息,2009(16). 2 赵西安高层建筑结构实用设计方法M 第 3 版 上海：同济大学出版社，2007 3 唐兴荣.高层建筑转换层结构设计与施工M.北京：中国建筑工业出版，2007. 4 JGJ3- 91，钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程S.北京：中国建筑工业出版社，2002.
