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摘要：高層建筑的結(jié)構轉(zhuǎn)換層是高層建筑中較為常見的建筑結(jié)構，由于轉(zhuǎn)換層結(jié)構的特殊功用，導致其結(jié)構設計較為復雜。本文對高層建筑結(jié)構轉(zhuǎn)換層的結(jié)構設計進行簡單分析。

關鍵詞：高層建筑；結(jié)構設計；結(jié)構轉(zhuǎn)換層；轉(zhuǎn)換層結(jié)構設計

一.引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市建設和發(fā)展速度越來越快，高層建筑也逐漸成為城市發(fā)展中的主要建筑形式。為滿足建筑功能的多樣性，結(jié)構轉(zhuǎn)換層成為高層建筑結(jié)構中的重要組成部分。由于轉(zhuǎn)換層的豎向構件的不連續(xù)性，導致結(jié)構設計難度加大，必須要結(jié)合工程實際情況，綜合考量，保障結(jié)構轉(zhuǎn)換層結(jié)構設計的科學性。

二、轉(zhuǎn)換層的功能

建筑結(jié)構設計中的轉(zhuǎn)換層主要起到承上啟下的功能作用，其設計對建筑工程具有相當重要的經(jīng)濟意義與功能意義。根據(jù)建筑各層布局，轉(zhuǎn)換層主要實現(xiàn)以下幾方面作用：

1、上、下層結(jié)構類型轉(zhuǎn)換

轉(zhuǎn)換層將上部剪力墻轉(zhuǎn)換為下部的框架，此結(jié)構多用于框—剪和剪力墻結(jié)構中，如此便可使得下部結(jié)構具有較大的內(nèi)部自由空間。

2、上、下層結(jié)構柱網(wǎng)布置的改變

轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構形式相同，通過它可以使下部結(jié)構的柱距擴大，形成大柱網(wǎng)空間。多用于商住樓，以形成下部的大空間用于商場、停車場等。

3、同時轉(zhuǎn)換上、下層結(jié)構類型和柱網(wǎng)布置

上部剪力墻結(jié)構通過轉(zhuǎn)換層變成框支剪力墻結(jié)構的同時，上部剪力墻的軸線與下部柱網(wǎng)錯開，形成上下柱網(wǎng)不對齊的結(jié)構。多用于辦公樓，上部用于小開間辦公室，下部用于停車場或者大廳等。三、高層建筑結(jié)構轉(zhuǎn)換層的結(jié)構形式目前，工程中常見的轉(zhuǎn)換層的結(jié)構形式主要有梁式轉(zhuǎn)換、厚板轉(zhuǎn)換、箱型轉(zhuǎn)換、桁架轉(zhuǎn)換。

1.梁式轉(zhuǎn)換

一般用在上、下層柱網(wǎng)和軸網(wǎng)布置較為規(guī)則的底部大空間結(jié)構體系中，當需求縱橫向同時轉(zhuǎn)換時可選用雙向梁或主次梁的布置方法。梁式轉(zhuǎn)換層受力清晰、布局簡單、施工便利，因此被廣泛應用，是當前在帶轉(zhuǎn)層的高層建筑工程中最常用的一種轉(zhuǎn)換層構造形式。但由于轉(zhuǎn)換梁截面尺寸大、自重大，建筑空間不能被充分利用，且容易引起轉(zhuǎn)換層上、下層構造的剛度突變，對抗震不利，因此采用型鋼混凝土梁式轉(zhuǎn)換、預應力混凝土梁式轉(zhuǎn)換及加腋梁式轉(zhuǎn)換。

2.板式轉(zhuǎn)換

一般用在上、下層結(jié)構柱網(wǎng)或軸線錯開較多時的情況，因為在這種情形下難以用梁直接承托上部結(jié)構，所以需要做成厚板，通過厚板來承受結(jié)構上部的荷載并傳遞給下部。由于上部荷載較大因而所需要的轉(zhuǎn)換板厚度也較大，大厚板必然導致大自重、大剛度，而這兩點對于結(jié)構抗震十分不利，再加上厚板轉(zhuǎn)換層的理論研究和設計依據(jù)尚不太成熟，因而其應用也就受到一定限制。

3.箱型轉(zhuǎn)換

一般用在鐵路工程中，在房屋結(jié)構中的應用較少。箱型轉(zhuǎn)換層利用單、雙向托梁和上下層樓板的共同作用來完成上部結(jié)構荷載到下部結(jié)構的傳遞。其平面內(nèi)的剛度遠遠大于實腹梁，但其自重卻遠遠小于厚板轉(zhuǎn)換層，這將有利于改善帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構的抗震性能。

4.桁架式轉(zhuǎn)換

由多榀桁架共同承受上部結(jié)構的荷載，其高度多為一個層高，上弦桿設在上層樓板內(nèi)，下弦桿設下層樓板內(nèi)。桁架轉(zhuǎn)換層受力明確、自重小、抗震性能好，但是轉(zhuǎn)換的桿件節(jié)點受力狀態(tài)復雜、設計難度大、施工較復雜，因而其實際應用受到限制。

三、建筑結(jié)構設計中的轉(zhuǎn)換層設計原則

轉(zhuǎn)換層進行科學合理設計不僅能避免建筑資源的浪費還能杜絕一定的建筑結(jié)構安全隱患，其在設計過程中應遵循以下設計原則：

1、與建筑專業(yè)相配合

為了滿足建筑的需要，高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構形式的選擇必須與建筑相互配合。轉(zhuǎn)換層的結(jié)構形式通常會選擇一些能和建筑物的外觀相適應的結(jié)構形式，轉(zhuǎn)換層結(jié)構形式不但要具備很好的外觀，同時在性能上也要能夠滿足建筑正常使用的需要。轉(zhuǎn)換層結(jié)構一定要可以有效的幫助建筑實現(xiàn)其功能，在實際的施工中，很多工程都將設備層當做是轉(zhuǎn)換層，這個時候，轉(zhuǎn)換層當中就必須要有足夠的空間給設備管道，讓其可以在轉(zhuǎn)換層中通過，如果洞口的尺寸已經(jīng)超出了一個相對比較合理的范圍，就應該采用空腹或者是實腹桁架來實現(xiàn)轉(zhuǎn)換層的功能。2、在轉(zhuǎn)換層設計過程中應盡量減少結(jié)構轉(zhuǎn)換的豎向構件，應盡可能的多采用直接接地的構件，其能有效避免建筑剛度的減小，對建筑物抗震性能的提升有著重要的作用。

3、轉(zhuǎn)換層的設計位置不能偏高，應盡可能的靠近底層位置。主要是由于建筑框支剪力墻結(jié)構的傳力途徑以及剛度發(fā)生變化時會直接造成轉(zhuǎn)換層成為薄弱層，很大程度上降低了建筑物的抗震性能。

4、在進行轉(zhuǎn)換層的設計時應注意傳力路徑的明確性，并且確保轉(zhuǎn)換層的剛度。由于轉(zhuǎn)換層結(jié)構本身起到的是結(jié)構轉(zhuǎn)換作用，所以應保持其自身的受力平衡性。

5、要對剪力墻以及框支剪力墻的比例進行綜合考慮，保證其橫向落地剪力墻的數(shù)目超過橫向墻的50%。

6、在進行轉(zhuǎn)換層設計時應保持其上部柱子和剪力墻的對稱分布，將梁上立柱設置在轉(zhuǎn)換梁跨中，從而避免轉(zhuǎn)換梁變形作用下產(chǎn)生的框支柱柱角變形加大。

四、梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構設計

梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構在實際工程中應用最為廣泛。大量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，有超越一半的轉(zhuǎn)換結(jié)構選用梁式轉(zhuǎn)換層。

梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構是以剪力墻到轉(zhuǎn)換梁，再到轉(zhuǎn)換柱為力的傳導途徑，由于這種傳力途徑的表現(xiàn)形式直接、明確，計算、分析和設計都比較方便，而且施工也比較簡單。但是，如果建筑物的上下軸線的位置布置錯位，在結(jié)構設計中就需要增加轉(zhuǎn)換梁的數(shù)量，導致建筑物的空間受力情況變得更加復雜，不利于建筑施工。

轉(zhuǎn)換梁的受力情況主要受到傳力的剪力墻的剛度、轉(zhuǎn)換梁自身的剛度以及支撐轉(zhuǎn)換梁的轉(zhuǎn)換柱的剛度影響。因此，為了明確梁式轉(zhuǎn)換層的受力機理，相關研究人員以轉(zhuǎn)換梁所承托的層數(shù)對轉(zhuǎn)換梁受力的影響為例，應用了有限元程序?qū)ζ溥M行了分析。分析結(jié)果表示，當轉(zhuǎn)換梁的跨度不大于十二米時，轉(zhuǎn)換梁承托的層數(shù)標準為三層，但是以承托層數(shù)為四層或者是五層進行計算時，偏差也沒有超過5%，在可承受范圍之內(nèi)。因此，在對承托層數(shù)為三到五層的梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構進行設計時，就可以直接以三層為標準進行計算。導致這種情況出現(xiàn)的原因主要有兩點：其一，是因為轉(zhuǎn)換梁正好處于結(jié)構整體彎曲的受拉區(qū)，應力積分后在轉(zhuǎn)換大梁中就會出現(xiàn)軸向拉力；其二，是因為剪力墻體豎向力作用于轉(zhuǎn)換梁時，傳力方式就會由豎向傳遞變成了拱式傳遞，力量不會直接作用在轉(zhuǎn)換梁上，從而導致轉(zhuǎn)換梁中間位置出現(xiàn)拉力，支座出現(xiàn)軸向壓力。

五、設計中應注意的幾點問題

1、轉(zhuǎn)換層設置高度不宜過高

轉(zhuǎn)換層高度越高，使得轉(zhuǎn)換層對下部結(jié)構的動力特性影響越明顯，同時傳力路線的突變越大，使得下部結(jié)構更容易破壞；轉(zhuǎn)換層高度低的建筑，只需控制側(cè)向剛度比即可控制轉(zhuǎn)換層附近的層間位移角；對于轉(zhuǎn)換層高度更高的建筑，還須控制轉(zhuǎn)換層上下部結(jié)構的等效剛度比。轉(zhuǎn)換層高度越高，轉(zhuǎn)換層上下部結(jié)構在地震作用下的變形效應就越大，轉(zhuǎn)換層上下部結(jié)構等效側(cè)向剛度比的作用也就越小。

2、柱宜直接落在轉(zhuǎn)換層主結(jié)構上

根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》中第 E.2.2條規(guī)定：轉(zhuǎn)換層上部的豎向抗側(cè)力構件（墻、柱）宜直接落在轉(zhuǎn)換層的主結(jié)構上。即上部密柱宜與轉(zhuǎn)換桁架斜腹桿的交點、空腹桁架的豎腹桿在位置上重合。這樣使得結(jié)構的傳力路線明確，受力合理，且相鄰斜腹桿可形成拱效應，與豎腹桿共同承受豎向力，同時有利于提高結(jié)構抵抗地震豎向作用的能力。

六、結(jié)束語

高層建筑結(jié)構轉(zhuǎn)換層結(jié)構設計是非常復雜的系統(tǒng)工程，在進行結(jié)構設計時，必須要從力學角度展開分析，結(jié)合高層建筑功能，采用合理的轉(zhuǎn)換層結(jié)構形式，保障建筑結(jié)構整體穩(wěn)定性。

參考文獻：

[1]高淑云.淺析高層轉(zhuǎn)換層結(jié)構設計[J].城市建設理論研究（電子版），2012，（18）.

[2]趙恒.對高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構設計的有關探討[J].中國建筑金屬結(jié)構，2013，（14）：93-93.

[3]唐興榮，蔣永生，孫寶俊等.帶預應力混凝土桁架轉(zhuǎn)換層的多高層建筑結(jié)構設計和施工建議[J].建筑結(jié)構學報，2000，21（5）：65-74.

[4]孫鴻偉.關于高層建筑轉(zhuǎn)換層的結(jié)構設計分析[J].四川水泥，2014，（9）：110-110，113.

[5]陸勁松.高層建筑工程中厚板轉(zhuǎn)換層的結(jié)構設計案例分析[J].建筑工程技術與設計，2014，（9）：93-93

[6]方毅華.有關轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構設計的闡述[J].建筑工程技術與設計，2014，（11）：109-109.

[7]曾均華.帶轉(zhuǎn)換層的高層結(jié)構設計[J].建材與裝飾，2014，（25）：32-33，34.