试析高层建筑转换层结构设计

试析高层建筑转换层结构设计

刘艳萍

（机械工业第四设计研究院有限公司，河南洛阳471039）

摘要：高层建筑是建筑工程的发展趋势，高层建筑的出现极大提高了土地资源的利用率，实现了建筑物多功能化应用的需求，但是楼层高度的增加及其空间分布对转换层的施工提出了更高要求，因此，高层建筑转换层结构设计要满足建筑结构上部空间较小、下部结构空间开阔的要求，并提高转换层结构设计的合理性。

关键词：高层建筑；转换层；结构设计

前言

目前，我国的高层建筑数量越来越多，我国拥有世界上数目最多的的高层建筑，据不完全统计，我国超过300m的高层建筑有300多座，居世界首位。全球超高层建筑的平均高度也在逐年升高，人们对建筑功能的要求也越来越多，如何保证建筑转换结构的安全是高层建筑结构设计中的一个难题。

1转换层的定义和功能

高层建筑的高度较高，其下部结构承载的压力较大，上部结构受力较小，在高层建筑的下部，应当设置较强的承载力结构，这和建筑功能要求及常规结构设置产生矛盾，因此在高层建筑结构中必须有转换结构，实现楼体结构的自然过渡和轴线布置合理。转化层结构保证高层建筑的上部竖向杆件不直接贯通落地，有效提升了下层结构的使用空间要求。通常而言，转换层结构可以分为三种：（1）上下层不同结构类型转换层，这种转换层在楼体上部为剪力墙和框架剪力墙结构中应用较多，它为剪力墙结构创造了内部自由空间；（2）上下层柱网、轴线改变转换层，它没有改变转换层的上下结构形式，但使下层的柱间距变大，常用于外框筒下层；（3）改变结构形式和结构轴线位置的转化层，这种结构把转换层的轴线错开，形成上下结构不齐的结构布置。在实际工程建设中常用的转换层有梁式、箱式、板式、架式等多种结构形式。

2高层建筑转换结构类型及适用性

结构转换层是指建筑上下部差异较大时，建筑结构通过上下部不用的结构形式布置，如底框-抗震墙结构，结构上部采用抗震性能较好的抗震墙结构，底部使用大空间框架，在保证建筑的适用的同时，保证建筑上下部结构的安全。理论上，建筑结构底部受力比较大，上部结构受力较小，因此需要在结构的底部布置较多的抗震墙或密柱等形成具有较大刚度的底部结构，上部可逐渐减少结构竖向抗侧力构件；但建筑设计往往是底部需要大空间的结构，上部布置空间较小的结构，这时就需要布置建筑结构转换层，以保证上部结构力进行可靠的竖向传递。

2.1梁式转换结构

梁式转换结构是指结构下部采用巨型框架，利用钢筋混凝土梁、钢骨梁、预制钢筋混凝土梁来承受上部密柱或抗震墙结构的一种转换形式，结构传力明确，竖向导荷路径比较明确，容易计算，因此应用比较广泛。缺点是：结构竖向层数较多，因此需要梁的截面较高，因而使得结构的自重和抗侧刚度较大，地震反应也比较大。梁式转换的常用结构形式如图1所示：

梁式转换结构的传力途径是上部结构墙（柱）－梁（转换）－下部墙（柱），传力直接，结构设计时，应保证转换层结构下部有足够的刚度，弱化转换层结构上部结构的刚度。当上部墙体长度小于装换梁计算跨度的2/10时，近似忽略梁与上部结构墙体共同作用，结构计算应按照梁杆系模型进行分析。其余情况下，应按照实体有限元模型进行计算。结构设计时应采用“墙柱弱梁强节点，强剪弱弯强底柱”的设计原则，以提高结构的承载能力和延性。

2.2厚板转换结构

厚板结构是指利用厚板承受上部抗侧构件传来的地震力的结构形式，厚板通常布置在结构的底部。厚板结构受力比较复杂，上部剪力墙传来的荷载形式复杂，分布不规则，上部有剪力墙的位置厚板受力比较大，厚板角部受力较小。在对厚板结构进行竖向内力分析时，应考虑整体弯曲和局部弯曲的叠加效应。受板厚的影响，结构自振频率增加，在相同的策动力激励下，结构竖向动力反应增加。厚板结构除了弯曲应力之外，还存在薄膜应力，随转换层上部结构的层数增加，厚板薄膜应力变化较大，应将转换层上下结构作为一个整体进行分析。

结构设计时，取结构板厚为下部支撑点距的1/4～1/3，局部可根据剪力墙的位置进行增减，以减轻结构自重，提高结构的经济性。在柱、剪力墙位置，须对厚板进行抗冲切验算。考虑厚板大体积混凝土的收缩应力，应在厚板上下抗弯钢筋之间配置双向水平钢筋网和竖向钢筋。

2.3桁架式转换结构

桁架式转换结构是指在结构中布置多榀钢筋混凝土桁架，桁架弦杆和腹杆布置在结构楼面和楼层中部位置。通常将布置竖向腹杆和斜腹杆的桁架转换结构成为实腹式转换结构，不布置竖向腹杆和斜腹杆的称为空腹式桁架转换结构。桁架式转换结构承受竖向荷载、水平荷载，转换层内部杆件受力以轴力为主，结构整体性较好，受力比较明确，计算相对较为复杂，桁架节点不易计算。桁架转换结构自重较小，截面易于控制，位置的布置也可以比较灵活，因而在目前的结构设计过程中应用比较广泛。

2.4箱型转换结构

箱型转换结构是指利用结构上下层板与竖向隔板围成箱体，巨型箱体来承受上部结构传来的地震和剪力的结构形式。受竖向荷载和水平荷载的影响，作为转换梁的竖向隔板通常截面较大，因而箱型转换结构通常只能作为设备层。箱型转换结构受力较为复杂，由于上下层板协同工作，因此计算时，箱型结构的竖向隔板应按照“工”字梁来考虑，

3转换层结构施工要点分析

转换层的结构施工要点控制至关重要，尤其是其钢筋施工、混凝土施工以及裂缝控制，下面对每一个要点进行详细的分析。

3.1钢筋施工

大部分转换层采用梁式结构，需要进行钢筋构架的搭建，在施工中钢筋要插入框支架1.2～1.5m内，才能进行混凝土的浇灌，在钢筋构架的搭建施工中，要确保钢筋绑扎的牢固，避免浇筑中出现钢筋的移位和偏离，同时采用钢管支撑，当混凝土浇筑完成后再拆除，防止混凝土的冲击力导致结构变形。预埋剪力墙钢筋安装定位后，沿着钢筋两侧焊接一根10m长的定位钢筋，防止混凝土振捣过程中的移位，在剪力墙预留段，绑扎三道以上的分布筋，标记预留位置的精确位置，对于梁宽超过8.5m的梁体，采用梅花形混凝土垫块。

3.2混凝土施工

转换层的质量关系重大，直接决定了高层建筑上部的结构稳固性，且其体积大、重量大、密度大的特点给施工带来了很大难度，如果施工中出现差错，就会造成整个支撑结构系统模板变形、钢筋错位、混凝土结构不密实的质量问题。因此要加强混凝土施工，强化转换层的结构强度，在浇筑施工中，要把混凝土施工和钢筋施工密切结合，确保转换层结构不出现质量问题，在混凝土浇筑时，对于钢筋密集区域，使用细石混凝土浇灌，防止混凝土结构中出现孔洞，同时选择合适的振捣工具和振捣方式，保证振捣工作的合格。

3.3转换层裂缝的控制

高层间组合的转换梁往往承载着超过2层楼体的重力，其载荷压力巨大，预应力施工有效提高了整体结构的强度和抗剪切性能，从而有效避免裂缝的发生。再者是加强对模板施工的控制，可以有效避免表面裂缝的发生，提高转换层的结构完整性，在模板安装中，要按照模板安装排版图，控制好轴线位置和界面尺寸，保证不出现扭曲、拱裂现象，尤其是跨度大于4m时，设置相应的起拱高度；模板支撑系统要保证水平，对支撑点进行加固处理，防止扣件螺丝的安装不合格；此外，留置孔洞，埋件要精确定位，避免出现遗漏。模板支撑体系的施工参照计算数据要求，采取足够的预防措施，强化钢管、扣件和施工材料质量抽查，同时模板拆除之前，必须保证混凝土结构的强度合格；钢筋的绑扎位置合理，在钢筋质量、规格上严格把控，保证钢筋预埋位置、数量、方式符合设计要求。

4结语

总之，高层建筑转换层结构是建筑物中关键的一环，因此其结构设计要从工程实际、建筑空间分布、建筑结构受力、承载力分布等多个方面进行考虑，选择合适的结构形式，从而提高转换层的抗剪切力和承载能力，提高整体结构的安全性。同时在结构设计时，要强化关键施工要点的设计，严格遵守施工流程，切实提高工程质量。

参考文献：

[1]周冰．带桁架转换结构高层建筑的抗震性能研究[D]．合肥：合肥工业大学，2013：1－71

[2]王宏昌．托柱转换梁与上部框架共同作用分析与设计[D]．长沙：湖南大学，2012：１－84

[3]金秀丽，凌惠彪．浅议高层建筑结构转换层[J]．科技风，2009（11）