高层建筑转换层设计

高层建筑转换层设计

于刚

广东博意建筑设计院有限公司西安分公司 陕西省西安市 710076

摘要：在我国高层建筑中，带转换层的结构应用十分普遍，由于上部楼层部分竖向构件不能直接连续贯通落地，因此应力会向着混凝土结构转换层梁、柱的连接处集中，由此也就导致建筑结构整体的抗震性能受到影响。因此，在混凝土高层建筑的结构设计过程中，必须控制好框支剪力墙的高度并合理设置转换梁和转换柱，同时把握好转换层的位置，从而做好混凝土结构转换层的抗震设计。本文主要从一下几个方面进行了分析阐述，具体如下：

关键词：高层建筑；转换层；设计浅析

一、转换层设计概述

高层建筑中的转换层主要是指将高层建筑中的某一层设为一个过渡层，其以上部分是由多片墙体分割而成的较小空间组成，在这些空间里人们可以实现居住或办公等功能；其以下部分则是采用由较少的落地墙和柱子组合而成的结构形式，以形成一些较大的空间，可以满足商场等较大空间的使用需求。

二、高层建筑混凝土结构的转换层形式与设计方法

（一）梁式转换层结构

在转换结构中，梁式转换结构最为常见，上部小柱网框架、剪力墙通过转换梁将重力传至下部竖向构件。该转换结构主要适用于底层、下部几层是大空间的框支剪力墙、框架结构，可沿着纵向或横向平行布置转换梁，当设计需要时也可同时进行纵横向布置，设计与施工均较为简单。在进行带转换层的高层建筑结构设计时，应使用三维空间软件完成整体结构分析，还需对转换层构件按有限元等方法进行局部应力分析，按应力分析结果进行截面配筋设计校核。梁式转换层结构的计算分析需关注以下几点问题：

1、转换层上、下楼层的侧向刚度控制；

2、框支柱、转换梁水平地震剪力调整；

3、弹性动力时程分析

（二）桁架式转换层结构

桁架转换结构作用与梁式结构一致，当底部大空间的楼层柱距相对较大时，转换梁高度可以达到楼层高度，此时应选用桁架转换结构，其受力明确，但是节点设计相对复杂。转换桁架是高层建筑关键部分，计算内力调整、构造措施均要从严控制，合理选择桁架矢高、弦杆截面、腹杆布置方式，在体系布置时需注意以下几点：

1、传力途径是否简明；

2、是否存在多道防线，合理计算复核控制构件破坏后不利状态，以免重要结构部位出现脆性破坏。

（三）箱形转换层结构

箱形转换层结构主要是利用托梁、上下层厚楼板构成，刚度较大，可承托上部剪力墙肢、框架柱，实现结构体系转换、柱网轴线变换。上下层剪力墙与框架柱无法对齐的情况下，箱形转换层结构自重更轻，抗震性能、抗扭能力、变形协调能力均较好。但是根据实际设计情况来看，与梁式、桁架转换结构相比，双层楼板所致的刚度突变较为严重，且箱形结构容易形成封闭空间，施工时需留设模板进出洞口，存在一定的难度。

三、实例探析高层建筑混凝土结构转换层的设计要点

（一）工程概况

某高层住宅项目，抗震设防烈度为7度区，地上25层、地下1层，平面基本左右对称，2层为转换层。该建筑1～2层为商铺、3层及以上为普通住宅，地下一层为车库，总体高度74.35m，结合工程特点采用梁式转换结构形式，采用部分框支剪力墙结构体系。

（二）设计要点

1、了解转换层设计基本原则

对转换层上下竖向构件的合理设置是在高层混凝土结构转换层设计时应遵守的基本原则，要让落地剪力墙的百分比保持在合理范围之内，以此来保证建筑竖向结构的应力不会发生突变，以免建筑的抗震能力在某一点上存在缺陷，从而影响了整体的抗震性能。还有一个必须要遵守的原则就是控制好转换层上、下两部分的刚度，从而提升建筑整体的抗侧力，这样可以防止有效刚度在竖向结构上发生突变，从而使建筑结构整体性能的控制指标满足相关规范要求。另外，对于框支剪力墙结构，还需考虑转换层位置设置的合理性，如果设置位置较高时，不利于抗震，更易使转换层附近的刚度、内力发生突变，并易形成薄弱层，且转换层下部结构更易于开裂和屈服，所以要尽量避免高位转换。

2、设计过程中考虑质量的提升

提升高层混凝土结构转换层的质量可从以下几个方面出发：

首先，是混凝土结构转换层的方案阶段，通过仔细分析后优化设计方案，从而布置竖向，水平转换构件，并确定转换层的位置，以保证转换层结构的受力明确、传力关系简单、直接，以此来提升转换层对高层建筑的支撑能力。

其次，是混凝土结构转换层的设计阶段，应该请专家对设计方案的可行性进行确认，然后双方人员要通过沟通商议，对设计方案进行改进，从而进一步提升结构的受力性能，做到转换层和建筑高度、应力的平衡，另外为了降低施工成本，也要对设计的经济性进行优化。

最后，当进入施工阶段以后，需要专业的技术人员进行现场监督，除了保证施工人员按照设计方案施工以外，还要解决在施工中可能会出现的问题。

3、做好框支梁与框支柱设计

框支梁在建筑结构中发挥着特别重要的作用，因其受力复杂，所以规范给出了比一般框架梁更高的要求。抗震设计时，框支梁截面宽度，不宜大于框支柱相应方向的截面宽度，且不宜小于其上墙体截面厚度的2倍及400mm；梁截面高度，不宜小于计算跨度的1/8。此外，纵向钢筋不宜有接头；如有接头，宜采用等强机械连接，且同一连接区段内钢筋接头面积不宜超过全部纵筋截面积的一半。框支柱的合理布置可以有效地提高结构的整体安全性。

此外，水平荷载作用下，转换层上下结构的侧向刚度对构件内力影响较大，会导致构件内力突变，使部分构件提前破坏。因此，结构设计时，框支柱的截面尺寸要比普通框架柱大，且构造措施也更加严格。特别需要注意的是，框支柱在上部墙体范围内的纵筋，应伸入上部墙体内不少于一层。

4、做好其他细节的设计

（1）优化结构平面布置，控制楼层竖向构件最大水平位移、层间位移不大于该楼层平均值1.4倍，结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比≤0.85。

（2）转换层竖向构件布置，确保上下结构贯通，建筑物四周、中部荷载较大位置，减少转换；避免多级转换，无法避免时采用转换主次梁转换，适当加强转换次梁且双向交叉布置，确保上部剪力墙受力均匀。

（3）上部结构门窗洞口尽可能处在转换结构中部；如果框支梁上墙体设置边门洞时，洞口边离开支座柱边的距离不宜小于梁截面高度，且边门洞墙边部位对应的框支梁应箍筋加密配置或采用梁端加肋并加密配箍。

（4）严格控制框支梁剪压比，适当增大其截面宽度，改善受力性能。通过有限元计算可得，框支梁截面受拉区域较大，甚至全截面受拉，因此框支梁支座上部纵筋至少50%通长，下部纵筋应全部直通到柱内。

（5）本项目框支转换层的楼板厚度180mm，内配12@200双层双向钢筋，每层每方向配筋率为0.31%，大于0.25%；且落地剪力墙外围的楼板不宜开洞，如需开洞时，洞口周边应设置边梁，边梁宽度不小于2倍板厚，全部纵筋配筋率不应小于1.0%；此外，转换层上下楼板板厚设为150mm，双层双向配筋10@200，每层每方向配筋率为0.26%，大于0.20%。

结束语

综上所述，高层建筑在当前持续建设完善的城市中发挥着重要的作用,既提供了大量的室内空间,同时也成为城市景观的一部分。越来越多的建筑被赋予了更为丰富的功能,为了完善建筑结构系统,保障上下结构的安全对接,同时灵活设置建筑内部空间,都会增设转换层。

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