高层建筑转换层结构设计中的问题分析

摘要：在当前的高层建筑设计中，针对转换层结构的内容是至关重要项目，其设计方案和设计水平直接决定整个高层建筑的设计水平。本文主要介绍了高层建筑转换结构在受力方面的主要特点，阐述了关键结构层的存在形式和显著特征，详细分析了设计中的不足，提出了行之有效的解决策略。

关键词：高层建筑 转换层结构 设计 问题 对策

当前，高层建筑的显著特征是功能种类多、作用体现综合性。很多高层建筑在直线方向的作用不尽相同，例如，顶部的用途是住宅，中部是商务办公，下部功能为娱乐、餐饮等。也就是说，整个建筑不同位置，设置不同的功能，体现不同的作用。这就需要设置不同的结构，根据需要，采取不同的形式。以建筑功能方面的区别为依据，上部通常采取轴线布置的方式，安排小开间，同时，增加墙体数量，目的是满足用户在住宅方面的特殊需求；对于用作办公用途的中部，房间通常为小型或者中型大小的房间，因此，公共部分如果能够体现更明显的自由，那么必然能够提升建筑效果，为此，要设置较大的柱网，尽量降低墙壁的数量，甚至避免墙体的存在。为了更大程度达到这种设计需要，就要在发生结构变换的楼层设计转换层，目的是保证受力的恰当转换和传递，否则会不利于受力的合理性，影响结构尺寸的科学性。

1 对结构受力特征的分析

在建筑工程中，经常遇到含有转换层的结构样式，也就是底层为大空间的剪力墙结构。在整个结构中，剪力墙落地，在底部变为一定形式的框架结构，其主要受力特征为：

1.1 结构受力的主要特征

1.1.1剪力墙结构将转换层作为界限，上部的剪力墙具有类似的变形曲线。对于受到外力影响的楼层剪力，会由于剪力墙等效刚度比例的不同分配，使得其下部侧向刚度出现迅速变小的情况，最终导致底层框架需要承担的水平力出现急剧降低，但是，底层剪力墙的水平力会出现迅速提升。

1.1.3如果水平力受到底层框支柱和落地剪力墙的刚度分配之后，鉴于框支柱侧向刚度较小，在具体核算过程中，它所承担的力量极小。但是，一旦转换层的楼板出现变形，那么，在框支柱范围内，其在水平方向的位移变化就会达到最大值，也就是说，支柱实际受力要大于理论值，而且相差很大。通过上述分析可以认识到，位于转换层周围的受力比较多变和复杂，在进行设计的时候，要为剪力墙和框支柱设置安全储备。

在当前的高层建筑转换层设计中，梁式转换层是使用比较广泛的类型，传力的流程为上部的墙壁，而后转换梁，最后为下部柱。在力的传递方面，比较直接，方向明确，能够进行方便的工程核算，便于设计，同时，成本支出不高，因此，这种转换层样式在建筑中比重较大。

这种类型是将单向和双向托梁、较厚的上下层楼板进行统一浇筑，而后形成一个整体，实现统一作业，这种方式所形成的刚度较大。

如果转换层的上下柱网呈现错开的样式，布局错乱无章，很难借助梁进行承载，那么，需要厚板的协助，也就是板式转换层。由于需要较大的抗冲力，所有其厚度要求高。对于下层柱，设计可以更加灵活，但是由于其自重较大，需要大量的材料，很容易出现工期延误的情况。

桁架主要分为空腹型和实腹型。与梁式转换类型相比，其在受了方面更加清楚，能够提供更加广泛的使用空间，同时其自身重量不高，因此，具有较强的抗震能力，但是，其缺点是，节点设计存在较大难度。在采取这种方式的时候，其基本设计原则是要保证斜腹杆和节点的强度。鉴于节点受力的复杂性，很容易出现脆性损伤，给施工带来不便，增加了这种方式使用的难度。在运用这种方式的时候，要注意以下几个问题：首先是要保证桁架转换层的高度，通常在3米以上，一旦高度不达标，就会导致超短柱的出现，造成脆性破坏；其次，要实现上弦基点与其对应荷载的对齐，发挥桁架在受了方面的特定优势；再次，将预应力应用在上下弦和斜腹杆，那么就会有效减小截面，节省费用，比较经济实用。

这种方式比较特殊，能够最大程度发挥混凝土在受压方面的特点，增大建筑空间。这种方式会产生较大的荷载，在进行具体设计的时候，可以参考平面布局的特点，借助梁来实现路径的缩短，在最小范围内达到均衡。在运用的时候，转换站要尽可能通过较多的楼层，目的是减小水平力，便于设计。

巨型框架转换是当前建筑结构发展的趋势，主要是将巨型柱与大梁进行连接，抗震效果极佳。它是梁式转换的多次操作。其主要设计方式是进行多次模拟，在巨型结构形成之前，要完成临时支撑的设计。

2高层建筑转换层结构设计中需要注意的几个问题

2.1 设计遵循的主要规则

2.1.1 在对转换层结构进行设计的时候，要减少竖向构件的使用数量，竖向构件的数量越少，需要进行的转换设计就越少，刚度变化的几率降低，有利于结构在抗震方面功能的实现。

2.1.3 注重对转换层结构的不断优化。对于转换层样式的选择，要明确具体传力的方向，目的是实现与工程项目的有机集合，保证质量。鉴于安全和经济性的考虑，宜将其刚度控制在较小的范围内。

2.2 结构设计中的重点分析

2.2.1刚度在转换层下部的主要分布状况。

在进行转换层架构设计的时候，要高度重视刚度值的合理性。如果刚度较大，地震反应和结构竖向刚度会出现急速膨胀，转换层上下受力都不均衡，材料使用量也增加，在经济性上也不科学。如果刚度过小，沉降差出现，次应力产生，配筋增加，尤其在转换次梁中更加突出。因此，在转换层设计过程中，竖向刚度的变化是经常遇到的问题，彰显复杂性。在进行抗震设计考虑的时候，要保证位于转换层主体结构的剪切刚度达到技术标准，这样，较大的竖向转换构件就会被派上用场，主要的包括加大混凝土强度以及增加剪力墙等方式。此时，较为突出、值得注意的问题是：筒体截面的扩大使得其在下部结构的总刚度比重增大，需要承载更大的地震荷载，因此，需要高度重视筒体的安全设计，以实现更强的抗震性；在运用剪力墙的时候，要保证刚度在整体上的均衡性，使得刚度与质量中心能够重合，避免出现建筑物的变形。

2.2.2 剪力墙对上下刚度传输产生的作用。

为了实现不同结构之间内力的传递，要避免二者刚度的突然变化，可以立足以下两个方面实现解决：首先，在上部，要保证较小的刚度值，减少剪力墙，缩短墙肢；其次，增大下部刚度。在保证使用效能的前提下，设置若干剪力墙，保证布局合理、对称，防止出现集中的情形。

2.2.3 合理确定转换层结构的刚度值。在进行转换层结构设计的时候，一个重要的值就是转换层结构的刚度值。一旦出现刚度超标的现象，地震反应就会出现，竖向刚度会急剧增大，使得上下层不利于受力和均衡性，另外，材料的需要增加，经济上比较不合理。如果转换层的刚度较小，那么竖向构件之间会出现沉降差，在结构与构件之间形成次应力。此时，就要选择合适的次梁截面尺寸，保证其刚度达标。

2.3 将转换层结构与建筑专业进行结合

高层建筑转换层设置的目的是为了迎合建筑实际用途，要在结构上充分考虑建筑物自身的特征。首先，充分考虑建筑物外观特点，例如，巨型框架、拱形等，保证受力合理，同时还能满足外观的需要；其次，转换层的结构特点要以建筑物功能为前提，设备层兼顾转换层，要保证转换层空间足够，此时适合使用实腹或空腹桁架代替梁式转换。

结束语：

在高层建筑中，转换层结构至关重要，需要高度重视。设置转换层的目的是最大限度满足建筑不同功能的需要，需要将此部分设计与整个建筑设计思路进行结合，二者积极配合。要重视对转换层结构的理解，掌握设计原则和思路，保证结构在平面和竖向都具要整体性，保证建筑物的安全性和经济性。