高层建筑转换层结构设计分析

高层建筑转换层结构设计分析

曾俊丽

艾奕康设计与咨询（深圳）有限公司

【摘要】随着我国经济的快速发展，建筑业的发展进程不断加快，高层建筑逐渐成为城市发展中的主要建筑结构，转换层是建筑结构中的重要部位，可以更好的体现建筑结构的多样性。本文主要分析高层建筑转换层结构设计要点。

【关键词】高层建筑；转换层；结构设计

一、高层建筑转换层结构的主要类型

1.梁式转换层

梁式转换层是现代高层建筑中应用非常广泛的一种转换层结构形式，尤其适用于底部大空间的框支剪力墙结构体系的高层建筑结构转换中，此类转换层结构形式的作用原理主要是通过将转换层上部的剪力墙落在框支梁上，而框支梁则是通过稳定的框支柱进行支撑，从而保证整体建筑结构的稳定性，形成较为稳固的转换结构体系，其在实际应用中的主要优势在于设计简单，便于施工操作，结构传力十分明确，且施工成本较低，具有着良好的经济性优势，因而受到许多建筑企业的青睐。

2.箱式转换层

箱式转换层结构形式相对适用范围要小于梁式转换层，其主要应用于转换梁截面超出一定范围，不能够通过一层楼板的设置来满足其需要的刚度要求情况下的转换层构建。为了充分保证建筑结构的稳定性，箱式转换层结构形式通常是在转换梁的顶与底分别设置一层楼板，两层楼板和四周围护的墙壁结构之间形成一个箱式的空间，从而使转换层结构的形式整体呈现为箱式结构。这种结构形式在应用中能够有效的保障对转换梁的较强约束力，同时转换梁的刚度也相对较大，从上到下整体结构在传力效果方面相对更为均匀，同时箱式结构中间所形成的空间也可以满足建筑设备层设置的功能需求，具有着良好的应用效果。但相对的，此类转换层结构形式在建设过程中需要在转换梁中进行较多的开洞处理，相对施工操作的复杂性更高，其施工成本也相对较高，经济效益一般。

3.厚板式转换层

厚板式转换层的应用主要是为了应对上下柱网存在较多错位，无法实现利用梁结构直接进行承托目的时的转换层建设需求，主要采取的方式是将转换层直接制作成为具有一定厚度的厚板，实现对结构受力的传导与转换的作用。为保证厚板式转换层功能的良好发挥，一般需要结合柱网的实际尺寸以及对上部结构荷载的分析来对板的厚度进行合理确定，其在应用中的主要优点包括上部结构布局对下部柱网的影响小，结构布置具有很大的灵活性，厚板能够达到较高的刚度，且对于施工工艺要求较低，施工便捷，还能够发挥出十分良好的整体性。而该结构形式应用的不足主要体现在转换层受力较为复杂，易造成计算分析的结果与实际情况之间的加大差异，同时由于厚板本身就有着较大的自重，其所消耗的材料也相对较多，因此经济性较差。

二、高层建筑转换层结构设计的原则

1.结构要精简

高层建筑工程转换层结构设计首先要求结构应较为精简，尽可能使用较少的转换构件，降低转换的实际次数，尤其是在结构主体的竖向构件布置过程中，应在施工条件与建筑结构要求允许的情况下，使尽可能多的剪力墙与柱实现上下连续贯通，从而降低与转换层结构相关的刚度突变问题的发生几率，实现高层建筑整体结构抗震能力的有效提升。

2.传力要直接

在高层建筑结构中，多级转换很容易导致结构受力稳定性下降，影响高层建筑的抗震能力与整体的可靠性，因此，在转换层结构的设计过程中还应尽可能的保证传力的直接性，减少多级转换对建筑结构所造成的不利影响，这也决定着支柱梁等结构形式在高层建筑工程转换层结构中不适宜使用，应尽可能在方案设计中予以避免。

3.力学计算要准确

准确的力学计算数据是保障转换层结构设计科学性与可靠性的重要基础依据，因此，在高层建筑工程转换层结构设计中还应注意保证力学计算的准确性，可通过采用两种力学模型不同的三维空间分析软件来计算整体的内力，并通过两种软件计算分析的结果对比来检核计算的准确性，对于计算结果中存在的差异应严格进行分析，找出差异出现的原因，并在调整后再次进行计算，直至计算结果一致，避免对转换层结构设计质量的影响。

三、高层建筑转换层结构设计的要点

1.明确高层建筑工程结构抗震等级

在抗震等级确定时需要充分考虑多方面的因素，按照相关规范的要求对建筑结构不同部位及结构构件的抗震等级进行分别评定。根据所选择的参考工程实际情况，由于其结构属于框支剪力墙，其中框支框架抗震等级为二级，剪力墙底部加强部位抗震等级为三级，考虑到加强底部及保持底部一致的因素，将转换层及其以下各层的一般框架梁和框架柱及转换梁的抗震等级定为二级。由于工程转换层设在建筑4层楼面即结构3层，已属于“高位转换”，框支柱及落地剪力墙的抗震等级应提高一级。因此，框支柱应定为一级抗震，转换层以下落地剪力墙定为二级抗震。转换层以上部分，框支层以上两层仍属剪力墙底部加强区，其中落地的那部分剪力墙由于是“高位转换”，还要提高一级。

2.注意在结构设计中做好竖向布置

高层建筑工程转换层结构设计的一个重点就是对竖向结构的合理布置，其目的在于保证测量刚度分布的合理性，并最大限度防止刚度突变所带来的安全隐患。传统概念上的高层建筑侧向刚度分布一般以上小下大为宜，但转换层的设置使高层建筑结构侧向刚度分布要求也发生了一定的变化，尤其是“高位转换”情况下，更多是要求转换层上下结构的侧向刚度分布均匀，上下结构部分的侧向刚度比一般要求处于1～1.3的范围内，以达到侧向刚度比值为1最为理想。在结构的竖向布置上可以借鉴下面的几种策略：

首先，可以采取在符合建筑工程施工原理与施工规范的基础上，合理增加落地剪力墙的数量，或在不影响建筑结构稳定及使用功能的情况下，在底部增设部分剪力墙的方式，实现对底部刚度的增强，从而优化转换层上下结构的侧向刚度比值。

其次，可在科学分析后，对底部剪力墙进行适当的加厚处理，以增加厚度的方式来强化底部的刚度。

再次，在满足转换层结构施工基本需求的前提下，尽可能避免在底部剪力墙上进行开洞，或最大限度的控制开洞面积，控制其对底部刚度的削弱作用。与此同时，通过采用更高强度等级的混凝土材料进行建筑底部柱、墙的浇筑施工，以有效提高底部刚度。

最后，在满足转换层上部建筑结构整体受力稳定的基础上，对转换层上部剪力墙的数量进行合理的控制，并避免上部剪力墙过厚，在不影响剪力墙结构支撑功能的情况下，适当在长剪力墙中部进行开洞，从而有效减轻转换层上部建筑结构的重量，并弱化上部结构的侧向刚度，保证高层建筑结构的整体稳定性。

3.在设计中加强对结构平面布局的优化

在高层建筑工程转换层结构设计过程中还应注意对结构平面布局的优化，在实际设计中，平面布局原则上应尽可能实现各个方位的对称布局，主要方向上的质量中心与刚度中心偏差应尽可能控制在一定的范围内，结构的偏心率越小则平面布局效果相对越理想。一般情况下，除核心筒外，其余剪力墙的布置应尽可能保证均匀、分散，并以沿周边布置为主，从而确保转换层结构的设置能够达到较好的抗扭效果，保证平面布局的规则、合理，满足工程要求。

四、高层建筑转换层结构构件设计

1.框支柱的设计

框支柱设计的关键主要在于对框支柱截面延性的有效控制，一般情况下框支柱界面的尺寸设计可以根据轴压比与剪压比来予以确定，其中轴压比是框支柱截面尺寸的主要控制因素，合理的轴压比可以有效的提高框支柱的延性水平。结合工程实际，框支柱抗震等级为一级的情况下，轴压比按照相关规范应小于或等于0.6，特殊情况下，即由于截面尺寸过大形成的“短柱”，其轴压比也应满足小于或等于0.55的要求。配箍率也是影响框支柱截面延性的一个重要参数，要保证框支柱有良好的截面延性，就需要合理的对其配箍率进行提高，原则上要满足转换层结构设置下的框支柱截面延性要求，应保证框支柱的实际配箍率大于或等于1.5%，并要确保配筋的质量充分满足工程要求。此外，为了充分保证框支柱的设计与布置的可靠性，提高工程整体安全性，还需要严格按照规范进行剪力计算，且必须要充分考虑建筑建设与实际使用过程中可能出现的楼板变形情况，和剪力墙裂缝对框支柱剪力的影响，针对框支柱剪力增大的相关问题进行专门的规定与要求。2.框支梁的设计

框支梁也是高层建筑工程中转换层的主要构件，其截面尺寸的主要控制要素为剪压比，为保证结构的整体稳定性，其梁宽还要求必须要大于或等于上部墙厚度的两倍，且至少为40厘米，梁的高度设计则要求必须要大于等于实际计算跨度的1/6。框支梁作为一个重要的结构部分，其在工程中承受着十分复杂的作用力影响，承担着结构荷载传输、保障框支剪力墙抗震性能的重要任务，也是关系到高层建筑构成结构安全的关键构件部分，在对其进行设计的过程中通常要考虑安全储备的预留，即框支梁设计的安全性与受力性能应高于其界定抗震等级的基本要求，对于其配筋率、抗剪能力、抗扭能力等都应较规范的要求高出一定范围，从而保留足够的余量，设计中还应坚持“强剪弱弯”原则，以保证框支梁的有效抗震性能。

3.转换层楼板设计

转换层楼板在高层建筑工程转换层设计中发挥着十分重要的作用，也是转换层结构构件设计的一个重要部分。框支剪力墙结构以转换层为分界，上下两部分的内力分布规律是不同的。从楼板自身情况来看，其在转换层结构中本身就要承受较大的平面内作用力，这也导致转换层楼板更容易产生较大的变形，要实现对这一变形程度的有效控制，就必须要要从设计环节就对楼板刚度进行有效的加强，要达到这一目标，首先可以从转换层楼板的施工材料优化着手，通过采用高强度等级的混凝土材料、钢筋材料等，并适当增加楼板厚度，提高配筋率，来有效增强转换层楼板的刚度；其次可以根据实际需要对转换层以上的两层及以下所有楼层的楼板进行刚度强化处理，从而保证高层建筑工程整体的稳定性要求。

五、高层建筑转换层结构设计未来的发展展望

从当前我国的经济发展形势与城市化建设的进程来看，许多城市中对于建筑空间依然有着较高的需求，同时城市建设用地的紧张使得现代城市建筑必须要向纵向空间进行扩展，高层建筑工程在未来有着极大的发展空间，保障高层建筑工程的可靠性与稳定也就是未来建筑发展的必然要求，转换层结构设计与施工技术的创新与发展也将成为必然的趋势。未来高层建筑工程转换层结构设计的发展主要有以下几方面趋势。首先是转换层结构的优化，钢骨混凝土结构将可能成为未来高层建筑工程转换层的主要结构类型，其能够有效提高转换层结构的承载能力和刚度，并实现对梁截面面尺寸的有效控制。其次是对新型建筑材料的应用，新型建筑材料应具有更高的强度、耐久性、可靠性以及更好的环保性，从而有效的减少高层建筑工程施工中的材料使用量，减低结构整地自重，减少建筑施工中建筑垃圾的产生，发挥环保效益，并实现对建筑工程成本的有效控制与施工效率的有效提升。

六、结束语

本文首先对加强高层建筑工程转换层结构设计的意义进行了阐述，随后相继对高层建筑工程转换层结构的主要类型以及转换层结构设计的主要原则进行了介绍，然后就高层建筑工程转换层结构设计的要点和转换层结构中的主要构件设计展开了探讨，最后结合当前实际与我国高层建筑发展的趋势对高层建筑工程转换层结构设计未来的发展进行了展望，希望通过本文能够为我国高层建筑安全建设施工水平的提高提供保障。