【摘要】在高層建筑結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)換層是很常見的一種結(jié)構(gòu)形式，它是將上部樓層的結(jié)構(gòu)傳力直接而明確地傳到下部樓層。上部樓層的結(jié)構(gòu)傳力明確，但下部樓層的結(jié)構(gòu)傳力不明確，此時就需要通過轉(zhuǎn)換層將上部和下部樓層進行連接，形成上下傳遞內(nèi)力的傳力路徑，從而實現(xiàn)上下結(jié)構(gòu)之間的正常連接。由于高層建筑結(jié)構(gòu)形式多樣、結(jié)構(gòu)復雜，對轉(zhuǎn)換層的設(shè)計要求也越來越高，文中對轉(zhuǎn)換層的設(shè)計原則進行了探討，并結(jié)合實際工程對轉(zhuǎn)換層的設(shè)計進行了探討。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計；轉(zhuǎn)換層設(shè)計

【中圖分類號】TU973" " " "【文獻標志碼】A" " " "【文章編號】1673-6028（2023）23-0130-03

隨著社會的飛速發(fā)展，建筑行業(yè)也在不斷進步，并且其發(fā)展水平也在不斷提高。在此過程中，建筑行業(yè)的結(jié)構(gòu)設(shè)計也逐漸呈現(xiàn)出多樣化的特點，尤其是在我國大力推進城鎮(zhèn)化建設(shè)的背景之下，高層建筑工程逐漸增多，規(guī)模也越來越大，業(yè)態(tài)也越來越豐富。所以，在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計工作的過程中，需要對每一項內(nèi)容進行更全面的考慮。

1 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計意義

1.1 保障建筑安全

在國內(nèi)的高層建筑中，為了確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，往往需要在混凝土樓板上設(shè)置該層落空的上部承重柱或剪力墻梁托。現(xiàn)已廣泛應(yīng)用的托梁形式，是針對建筑工程的實際特點進行設(shè)計的，可進行單向、雙向、斜向等各種受力構(gòu)件的布置。由于高層建筑結(jié)構(gòu)的特殊性，隨著樓層高度越高，底層承受的荷載也就越大，容易造成結(jié)構(gòu)的受力不均勻，從而對結(jié)構(gòu)的安全性造成極大的威脅。另外，在應(yīng)用轉(zhuǎn)換層施工技術(shù)時，應(yīng)充分考慮各層之間的受力狀況，并將其合理布置，以獲得最佳的受力狀態(tài)，這對于結(jié)構(gòu)的安全性至關(guān)重要。

1.2 樓層結(jié)構(gòu)的靈活調(diào)整

運用轉(zhuǎn)換層施工技術(shù)，采用上下局部轉(zhuǎn)換的方法，進一步對樓層結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，這樣有利于擴大室內(nèi)空間，提高樓層實用性，實現(xiàn)剪力墻結(jié)構(gòu)良好過渡。在運用轉(zhuǎn)換層施工技術(shù)的過程中，可對柱網(wǎng)結(jié)構(gòu)、軸線結(jié)構(gòu)進行適時調(diào)整，進而增大柱網(wǎng)空間及入口區(qū)空間，實現(xiàn)了空間的最大化利用。此外，還可根據(jù)需要適當?shù)卣{(diào)整軸線結(jié)構(gòu)，使其在進行結(jié)構(gòu)和方位調(diào)整的過程中，上部、下部的受力更為平穩(wěn)。

2 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)主要類型

2.1 梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)

在實際工程中，大多數(shù)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換形式為梁式轉(zhuǎn)換。梁式轉(zhuǎn)換的基本原理是利用大截面結(jié)構(gòu)梁和轉(zhuǎn)換柱將部分剪力墻托起，并讓部分剪力墻落地。梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的特點是傳力路徑明確，計算方便，結(jié)構(gòu)簡單。剪力墻荷載直接傳到轉(zhuǎn)換梁上，通過轉(zhuǎn)換梁將荷載傳到轉(zhuǎn)換柱，最后傳到基礎(chǔ)。在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中，當建筑底部對空間要求較高時，可將梁式轉(zhuǎn)換形式根據(jù)建筑功能合理地布置轉(zhuǎn)換梁轉(zhuǎn)換柱的位置。由于轉(zhuǎn)換梁的截面尺寸取決于上部結(jié)構(gòu)荷載作用，轉(zhuǎn)換梁的剛度尤為重要，如果轉(zhuǎn)換梁的剛度不足則會產(chǎn)生較大的變形。實際工程中也可以通過加腋、加型鋼和施加預(yù)應(yīng)力的方法來提高其承載力，從而達到對轉(zhuǎn)換梁截面尺寸的合理控制。

2.2 厚板轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)

在考慮轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計方案時，如果上下層的豎向構(gòu)件相差較大，難以將結(jié)構(gòu)梁作為直接轉(zhuǎn)換構(gòu)件來承載，那么就可以考慮采用厚板進行轉(zhuǎn)換。對于普通高層建筑而言，采用非高層位的厚板轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計，具有較明顯的專業(yè)協(xié)同優(yōu)勢，可根據(jù)建筑、設(shè)備和結(jié)構(gòu)的需求有規(guī)律地靈活布置，不必追求與上層豎向構(gòu)件完全對齊，可在轉(zhuǎn)換層較低部分實現(xiàn)建筑功能上的大突破。同時，由于厚板材料本身就有很強的剛度，可形成與之相適應(yīng)的承臺，使其整體性更好，施工更簡便。但是，需要指出的是，盡管厚板轉(zhuǎn)換的構(gòu)造比較直觀簡單，但是因為抗剪和抗沖切的需要，導致厚板轉(zhuǎn)換層的厚度可達到3m，其重量較大（相當于20層標準層的重量），這樣巨大的重量會在這個樓層位置引起特別大的水平地震作用，使層間位移發(fā)生突變，形成相對的結(jié)構(gòu)薄弱層，對結(jié)構(gòu)的抗震不利。

2.3 桁架式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)

桁架式轉(zhuǎn)換層一般應(yīng)用于大型建筑中，主要用于承受豎向荷載，盡管其所占層高較大，但由于桁架錯落排列，可用作設(shè)備夾層，因此其受力明晰，構(gòu)造簡單，自重輕，可用于大跨度轉(zhuǎn)換層中。桁架式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)是一種由多個大截面弦桿共同承擔上部荷載，并通過不同方向腹桿改變荷載傳遞路徑及作用點，在一定程度上實現(xiàn)了卸載，并發(fā)揮了一定的抗震性能，已逐漸成為高層建筑設(shè)計的相對常見的一種方法。

3 高層建筑中轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計的應(yīng)用

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計和布置

高層建筑之所以被越來越多的人所認可，就是因為它可以在同樣的空間內(nèi)，為人提供更多的功能，所以一般只有高層建筑使用轉(zhuǎn)換層。高層建筑下層空間結(jié)構(gòu)基本都是開間，梁柱結(jié)構(gòu)較少，相反，上層建筑梁柱結(jié)構(gòu)較多，這顯然不符合建筑工程本身的受力穩(wěn)定性特點。為了使高層建筑的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，有些設(shè)計人員會選擇采用轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)這一獨特的設(shè)計模式進行設(shè)計，但由于各種原因，轉(zhuǎn)換層的作用往往很難真正發(fā)揮出來。因此，在設(shè)計轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)時，必須嚴格考慮如下因素。

（1）在高層建筑中，即使采用了轉(zhuǎn)換層設(shè)計方法，但受上下層空間使用需求的影響，各豎向的結(jié)構(gòu)支撐點難以統(tǒng)一，為了解決這一問題，需要采用相關(guān)的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，如比較常見的轉(zhuǎn)換大梁、箱型結(jié)構(gòu)等，都可以從根本上解決上層建筑不穩(wěn)定的問題。

（2）高層建筑多為筒體結(jié)構(gòu)，在采用轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)時，內(nèi)筒需完全穿入地面，并需提升墻體結(jié)構(gòu)的支撐力，避免結(jié)構(gòu)剛度不足。而框支剪力墻結(jié)構(gòu)也是一樣，剪力墻同樣需要貫穿落地，特別是在涉及減震設(shè)計這部分需求時，剪力墻之間相隔多遠，厚度多大都需要額外考慮。在對轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，一定要嚴格按照行業(yè)的有關(guān)施工設(shè)計標準來進行，絕不能將過去的設(shè)計經(jīng)驗作為全部的標準，否則就會出現(xiàn)樓層設(shè)計錯誤、內(nèi)力結(jié)構(gòu)不合理等問題。

（3）框支剪力墻結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層比較特殊，在轉(zhuǎn)換層上部需要在避開梁體的部位設(shè)置門洞，這樣才能保證剪力的穩(wěn)定性，保證墻體的完整性。如果根據(jù)實際使用需求必須設(shè)置門洞，通常門洞設(shè)置在剪力墻的中部，這樣可以把應(yīng)力傳遞到各個部位。

3.2 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計

轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)改變了高層建筑豎向受力結(jié)構(gòu)，使其豎向受力無法直接傳遞至持力層，極大地降低了其抗震性能，在地震及其他自然災(zāi)害下，其安全無法得到保障。要解決這個問題，就必須考慮轉(zhuǎn)換層的抗震性能。具體地說，地震對于高層建筑的損傷主要來自水平方向的作用力，此時傾覆力矩分布曲線在轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)處會有顯著的變化。轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)下方的建筑結(jié)構(gòu)基本都是剪力墻，落地剪力墻的傾覆力矩會向下逐層遞增，而支撐框架的傾覆力矩遞增效果就會稍有減緩。另外，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)在水平地震作用下內(nèi)力較大，但這并不意味著豎向地震作用不受影響，當抗震設(shè)計要求達到8級以上時，還需要對豎向地震作用進行計算。動力時程分析方法可用于轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)豎向地震作用的計算。

3.3 落地剪力墻設(shè)計

落地剪力墻的設(shè)計上文中稍有提及，其設(shè)計難度最大的部分就是洞口設(shè)計。也就是說，只有做好洞口設(shè)計，才能讓落地剪力墻的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到保證。一般情況下，洞口應(yīng)設(shè)在墻體的中部，以免出現(xiàn)應(yīng)力分布不均的問題。此外，落地剪力墻之間的距離也要控制好，不需要抗震設(shè)計的落地剪力墻之間的距離一般為30m左右，需要抗震設(shè)計的落地剪力墻之間的距離一般為20～24m。

3.4轉(zhuǎn)換層計算要求

轉(zhuǎn)換層本身屬于高層建筑主體結(jié)構(gòu)的一部分，在設(shè)計過程中，我們還需要對其各項數(shù)據(jù)進行精確的計算，根據(jù)結(jié)構(gòu)的整體情況，將轉(zhuǎn)換層作為高層建筑的結(jié)構(gòu)之一，從立體化視角及空間協(xié)同的角度，采取多種有效措施，保證內(nèi)力計算和位移計算的準確性，這樣，高層建筑各組成結(jié)構(gòu)對于轉(zhuǎn)換層的影響就可以很好地體現(xiàn)出來。但實際工作中發(fā)現(xiàn)，由于結(jié)構(gòu)較為復雜，許多設(shè)計者在計算時往往不夠細致，造成構(gòu)件計算時難免出現(xiàn)誤差，這對高層建筑的穩(wěn)定施工不利。因此，當未來工作完成整體計算后，仍需對轉(zhuǎn)換層局部結(jié)構(gòu)做二次精算，以減少計算誤差的可能。

3.5 過度受力及軸壓比控制

在高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，要對樓層梁面和柱面的表現(xiàn)形式進行明確，柱面主要包括強柱和弱柱，梁面主要包括強梁和弱梁，轉(zhuǎn)換層豎向載荷以及構(gòu)架內(nèi)力通常會受到構(gòu)件的影響。所以，在高層建筑的施工過程中，要從構(gòu)件入手，合理地控制施工進度和時間。在施工過程中，當轉(zhuǎn)換層構(gòu)架與若干層構(gòu)架同時出現(xiàn)時，要采取合理的措施，控制構(gòu)架內(nèi)力的變化，避免出現(xiàn)轉(zhuǎn)換構(gòu)件過渡受力的影響，避免影響高層施工進度，這對實現(xiàn)整個高層建筑施工目標來說都是十分重要的。

在對軸壓比進行控制時，要明確轉(zhuǎn)換層內(nèi)交角處的支梁及支柱存在突出的應(yīng)力表現(xiàn)，在水平負載和豎向負載的影響下，在柱截面、剪力和彎矩均比較小的情況下，在框支柱支承軸壓力承受力，轉(zhuǎn)換層以上墻體的水平與垂直負載以板平面內(nèi)剛度為支持，向落地剪力墻傳遞，因此，有必要控制框架支柱軸壓比。在高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)結(jié)合實際情況，有效地控制過度應(yīng)力、軸壓比等，從而達到良好的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計效果。

4 高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)實例設(shè)計探討

高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計涉及問題很多，本文就某高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計中的部分問題進行探討。

4.1 工程概況

本項目位于四川成都，地下兩層、地上26層。一層層高5.9m，二層層高2.9m，三層為局部夾層，層高2.9m，四層層高為2.9m、四至二十六層高為2.9m，建筑總高度為78.45m。地下二層是地下車庫和平戰(zhàn)結(jié)合的六級民防地下室，一層及二層為商鋪。三層局部夾層，轉(zhuǎn)換位置對應(yīng)三層鏤空。地上部分四至二十六層為住宅。為了盡可能保證一層沿街商鋪的得鋪率，在本子項北側(cè)設(shè)置轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換層位于第四層樓面。建筑物抗震設(shè)防類別為丙類；抗震設(shè)防烈度7度，基本地震加速度0.1g，設(shè)計地震分組為第三組，場地類別為Ⅱ類。本項目選擇梁式轉(zhuǎn)換層作為主要結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

4.2 設(shè)計計算要點

本項目高度不超限，但存在凹凸不規(guī)則，部分框支轉(zhuǎn)換，參考“高規(guī)”選擇性能D進行性能化設(shè)計，采用YJK和MIDAS進行小震彈性分析，采用YJK進行彈性時程分析和中震等效彈塑性分析。結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下，在考慮平扭耦聯(lián)計算結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)情況下，振型個數(shù)為24，振型參與質(zhì)量大于總質(zhì)量的90%。采用時程彈性分析法來補充計算；利用MIDAS軟件對罕遇地震的動力彈塑性進行時程分析；在框支轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中，考慮到轉(zhuǎn)換層下方落地剪力墻的剛度要比框架支柱大得多，需要對本工程框支柱的剪力進行相應(yīng)的調(diào)整，提高剪力墻裂縫開展后框支柱的承載力安全度。在本工程中，對于轉(zhuǎn)換層以及底部加強部位給予特別加強，體現(xiàn)“強柱弱梁”“強剪弱彎”“強底層柱底”“強底層墻底”等的一系列內(nèi)力設(shè)計值調(diào)整系數(shù)均按照規(guī)范進行考慮設(shè)計。

4.3 構(gòu)造設(shè)計

構(gòu)造措施首先是對整體結(jié)構(gòu)進行概念設(shè)計，并采取必要的結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施，以確保結(jié)構(gòu)抗震性能。在本工程中，采取了如下構(gòu)造措施。①加強底層框支層的剛度和延性。根據(jù)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則，在抗震設(shè)計時，轉(zhuǎn)換層上下結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度之比不宜大于2。為減小上部、下部結(jié)構(gòu)剛度比，底層兩層核心筒和剪力墻均為300mm厚，剪力墻混凝土強度等級為C60；3層以上按200mm計算，剪力墻混凝土強度等級為C55?？紤]到核心筒位置偏北、北側(cè)較大剛度，本工程擬在底部南側(cè)合適位置設(shè)置剪力墻，以確保剛心與形心盡量重疊，并增加底部剛度，滿足規(guī)范規(guī)定的剛度比限值。②為了增強轉(zhuǎn)換層樓板的剛度和延性，保證水平荷載能可靠地傳遞，樓板厚度200mm，并采取雙層雙向配筋，每層每方向的配筋率為0.25%，以增強整體性能。③底層轉(zhuǎn)換柱截面較大，設(shè)計時轉(zhuǎn)換柱增加芯柱。

4.4 抗震等級的確定

本工程轉(zhuǎn)換層以下為框架―剪力墻結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層以上為純剪力墻結(jié)構(gòu)，是多種結(jié)構(gòu)形式共存的復雜高層建筑，本子項底部加強部位到6層板面，抗震等級在底部加強部位按二級抗震，6層以上抗震等級為三級。

5 結(jié)語

轉(zhuǎn)換層設(shè)計在高層建筑設(shè)計中起到了極為重要的作用。在具體的設(shè)計工作中，首先要分析高層建筑的實際情況合理選擇轉(zhuǎn)換形式，選擇具有明確傳力路徑的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式，盡可能減小結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的豎向構(gòu)件。在計算工作中，要綜合分析各因素，采用符合實際的受力計算模型，必要時應(yīng)采用有限元設(shè)計方法對轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)進行補充分析，保證整個高層建筑工程的安全穩(wěn)定效果。

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[作者簡介]曾志遠（1988 —），男，江西吉安人，碩士研究生，工程師，研究方向：建筑設(shè)計。