带转换层的高层建筑结构设计

【摘 要】：文章简单介绍了转换层的定义和功能，分析了转换层类型选择方法，结合工程实践，提出了不同类型转换层的结设计方法。

【关键词】：高层建筑；转换层；结构设计

【 Abstract 】 : The article briefly introduces the definition and function of conversion layers, analyzes the conversion layer type selection method, combining with engineering practice, this paper puts forward different type conversion layers of “design method.

【 Key words 】 : high building; Conversion layers; Structure design

中图分类号：TU973 文献标识码：A 文章编号：

引言

带转换层多塔楼高层建筑结构是高层商住楼中常用的一种结构体系。转换层上下结构体系的转变和竖向构件的不连续性，易使转换层附近的刚度和内力发生突变。本文结合实际工程对此种复杂高层的抗震设计谈谈自己的体会。

1转换层的定义和功能

因建筑物功能的需要，上部需要小开间的轴线布置，需要较多的墙体；下部则希望有尽可能大的空间，柱网要大，墙体要尽量少。因而，上部部分竖向杆件不能直接连续贯通落地。而通过水平转换结构与下部竖向杆件连接，这样构成的高层建筑称为带转换层的高层建筑结构。转换层主要实现以下功能：

(1)上、下层结构类型转换转换层将上部剪力墙转换为下部的框架。这种转换层多用于剪力墙和框架一剪力墙结构中，以获得较大的内部自由空间。(2)上、下层结构柱网和轴线的改变转换层上、下的结构形式未改变，通过转换层能使下部结构的柱距扩大，形成大柱网。这种形式常用于外框筒的下层以形成较大的出人口。（3)同时转换上、下层结构类型和柱网上部剪力墙结构通过转换层改变为框支剪力墙结构的同时，下部柱网与上部剪力墙的轴线错开，形成上、下柱网不对齐的布置。

2转换层类型

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选择什么样的转换层既能满足建筑底部大空间，上部小开间的要求，又能不失空间工作性能，是工程上十分关注的。因为在建筑结构中如果承力构件不连续，必然导致传力路线迂回曲折，甚至造成传力路线不明确，出现抗震薄弱环节。要在建筑底部、内部形成大空间的结构转换层，可以采用梁式、桁架式、空腹桁架式、转换拱、箱形和板式转换层。其中梁式转换层应用最为普遍。它的设计原理和施工操作简单，受力比较明确，因此广泛应用于底部大空间的剪力墙体系中，当需要纵横向同时转换时，可以采用双向梁的布置方式，形成箱形。

3不同类型转换层的结构介绍与设计方法

高层建筑转换结构一般可分为4种基本结构形式，即：桁架(包括空腹桁架)、箱型结构、梁式(包括托梁和双向梁格)、厚梁厚板(见图1)。

图1带转换层高层建筑结构体系

对以上4种基本结构形式设计应注意的问题简要介绍如下：

3.1梁式转换层结构

该结构形式是目前高层建筑中实现垂直转换最常用的结构形式，由于其传力途径采用墙(柱)→转换梁→柱(墙)的形式，具有传力直接、明确和清楚的优点，便于工程计算、分析和设计，且造价较节省。所以梁式转换层结构在实际工程中应用较广。实际工程中转换梁的结构形式有多种多样，从转换梁功能上，可分为托墙和托柱；从转换梁形式上，可分为加腋和不加腋；从转换梁结构采用材料上，又可分为钢筋混凝土、预应力混凝土、钢骨混凝土和钢结构等。转换梁设计方法的选择与其受力性能和转换层的形式有关，现简述如下：

（1）托柱形式转换梁截面设计

当转换梁承托上部普通框架时，在转换梁常用截面尺寸范围内，转换梁的受力基本和普通梁相同，可按普通梁截面设计方法进行配筋计算；当转换梁承托上部斜杆框架时，转换梁将承受轴向拉力，此时应按偏心受拉构件进行截面设计。

（2）托墙形式转换梁截面设计

当转换梁承托上部墙体满跨不开洞时，转换梁与上部墙体共同工作，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深梁截面设计方法或应力截面设计方法，且计算出的纵向钢筋应沿全梁高适当分布配置。由于此时转换梁跨中较大范围内的内力比较大，故底部纵向钢筋不宜截断和弯起，应全部伸人支座。当转换梁承托上部墙体满跨且开较多门窗洞或不满跨但剪力墙的长度较大时，转换梁截面设计方法也宜采用深梁截面设计方法或应力截面设计方法，纵向钢筋的布置则沿梁下部适当分布配置，且底部纵向钢筋不宜截断和弯起，应全部伸入支座。当转换梁承托上部墙体为小墙肢时，转换梁基本上可按普通

梁的截面设计方法进行配筋计算，纵向钢筋可按普通梁集中布置在转换梁的底部。转换梁的结构形式有很多种，目前高层建筑转换层结构的实际工程应用也很多。一般而言，高层建筑转换层结构的分析必须按施工模拟，使用各阶段及施工实际支撑情况分别进行计算，以反映结构内力和变形的真实情况。施工过程中的力学问题应引起设计人员和施工人员的高度重视。

3.2桁架式转换结构

该结构形式是由梁式结构转换层变化而来的，整个转换层由多榀钢筋混凝土桁架组成承重结构，桁架的上下弦杆分别设在转换层的上下楼面的结构层内，层间设有腹杆。由于桁架高度较高，所以下弦杆的截面尺寸相对较小。桁架分为空腹桁架和实腹桁架2种，它可以是钢桁架，也可以是钢筋混凝土桁架，在钢筋混凝土高层结构中常用钢筋混凝土桁架。 “强斜腹杆，强节点”是桁架转换层的基本设计原则，而节点的受力复杂，容易发生剪切破坏，造成配筋过多。桁架转换式通常要求高度在3m以上，否则斜压杆件易形成超短柱，地震作用下容易产生脆性破坏。桁架式转换结构设计方法简述如下：

桁架式转换结构可以采用ANSYS和TAT来进行整体结构的内力分析，除应满足结构整体的位移、变形、抗倾覆、周期等要求外，还应满足(JGJ3—2002)《高层建筑混凝土结构技术规程》中附录E中规定的转换层上下结构侧向刚度比的要求。

相对其他结构形式转换层而言，桁架转换层比梁式转换层和厚转换层在受力上更加合理，在转换层位置受到的剪力和弯矩就比较小，有利于构件截面尺寸的控制，不会造成很大的刚度集中。在地震作用下，不会造成应力的集中，有利于结构抗震。其次在桁架转换层上部的结构所受到的剪力和弯矩相对其他的转换层结构来说也较小，其受力受下部转换层的影响较小，比较合理。由于桁架转换层的重量相对其他转换层的重量要小，从而减小了下部框架柱的抗压负荷。

3.3箱型转换结构

该结构形式即单向托梁、双向托梁如果连同上下层较厚的楼板共同工作，可以形成刚度很大的箱形转换层。它的优点是转换层本身的整体性很好，当转换层上部结构布置较复杂时，仍能够保证上下竖向构件的有效传力。但从建筑上来看，它直接占用了整个楼层的使用面积，使得该楼层通常只能作为设备层使用。同时，转换层内部的剪力墙与设备布置、管线布置常常发生冲突。其缺点是自重大、造价高等。从结构分析角度考虑，其内力分析复杂、结构设计及施工难度都较大，因此在实际工程中应用较少。

3.4厚板厚梁式转换结构