高层建筑转换层设计的探讨
摘要：本文阐述了高层建筑转换层设计的概念、分类及设计原则，同时针对高层建筑转换层设计中的若干问题提出了几点建议，并详细论述了高层建筑转换层设计的要点，可供从事相关工作人员参考。
关键词：高层建筑；转换层设计；设计原则；要点
自改革开放以来，我国综合国力不断增强，科学技术水平不断提升，特别是钢铁业和建筑材料的发展，使得高层建筑迅速发展，慢慢成为一个城市甚至是一个国家经济繁荣、材料工业水平提高、科技进步的象征。现今高层建筑的体型越来越复杂，功能也越来越全面，导致其结构形式也越来越多样化。高层建筑须由不同的功能需求来划分空间布局，比如底层用作商场或餐馆，中间层用作写字间，上层用作住宅，这种布局就要求建筑物在底层布置大空间，有较大的灵活空间，大柱网、少墙体，以满足功能要求，而顶层需布置小空间，但是这恰恰有悖于常规的结构布置方式(如图1)，所以为了保证结构构件传力的合理性，就必须通过一个楼层来完成上下不同柱网、不同开间、不同结构形式的转换，该楼层在建筑学中被称为结构(设备)转换层。
图1 高层建筑结构和功能的矛盾
1转换层的分类
在工程实践中常用的转换层结构形式主要包括梁式转换结构、桁架式转换结构、箱形转换结构和板式转换结构。作为高层建筑的
关键构件的转换层一般都具有结构厚、体形大、体重大、钢筋密集、楼层净空高、混凝土强度等级高、数量多、工程条件复杂和施工技术要求高等特点。
但是由于不同形式的转换层，结构形式的不一样导致其传力性能和抗震性能也各有自身的特点。粱式转换结构的传力直接，传力路径清晰，结构计算容易，构造简单、工作可靠、受力性能好、施工方便，因此在现今的高层建筑中，75%的都是运用该种结构。但是如果转换梁跨度较大时则要求的转换梁截面也较大，导致质量和抗侧刚度也相应较大，因而地震反应较大。桁架式转换结构具有传力明确，传力途径清楚的特点，转换桁架结构能较为方便灵活的的开洞与设置管道，使充分利用转换层的空间成为可能，桁架式转换结构抗侧力刚度和自重比转换梁小，使得带桁架式转换层高层建筑的质量和刚度突变相对缓和，地震反应比带转换梁的高层小很多。但是其节点的受力状态比较复杂，容易发生剪切脆性破坏，配筋多、施工不便。箱形转换结构是单向托梁、双向托梁和上下层较厚的楼板共同作用形成，它不仅传递了上部结构的竖向荷载，也将在框支层内部的层间剪力进行了分配，这种转换层不仅起到了梁的作用，也起了墙的作用，但其侧向刚度很大，较少用于房屋结构工程。板式转换结构一方面使得卜部结构布蹬方便，另一方面使得传力不清楚，受力复杂，结构计算相对困难，并且厚板集中了很大的刚度和质量，地震反应强烈。
按结构功能，结构转换层可分为三类：(1)上层和下层结构类型
转换。多用于框架－剪力墙结构和剪力墙结构，它将上部剪力墙转换为下部的框架，使下部的自由空间加大。(2)上、下层的柱网、轴线改变。转换层上、下的结构形式没有改变，但是通过转换层使下层柱的柱距扩大，形成大柱网，并常用于外框筒的下层形成较大的入口。(3)同时转换结构形式和结构轴线布置。
2高层建筑转换层的设计原则
作为高层建筑承上启下的转换层，在建筑结构中是一个十分关键的构件，据相关统计资料可知一般30层以下的建筑转换层的造价占整个建筑的6％以上，有的甚至高达20％，所以做好转换层的设计具有十分重要的经济性，同时合理的设计方案，不仅可以避免不必要的浪费，还可以防止安全隐患的产生。
高层建筑上下层结构形式的变化会令建筑物竖向结构刚度的突变，使建筑结构抗震性能降低，因此，在结构转换层设计时应遵循以下几点原则：
①尽可能减少需结构转换的竖向构件。多采用直接接地的竖向构件，这样需要转换的结构就会减少，其造成的刚度突变越小，这样更有利于提高结构抗震性能。②在高层建筑中，转换层结构所处的位置宜低不宜高。当转换层位置较高时，容易让框支剪力墙结构在转换层附近的刚度、内力和传力途径发生突变，这样极易形成薄弱层，而不利于抗震设计。③选择那些具有明确传力路径的结构形式，以便于结构分析设计和保证施工量。在设计时应保证转换层具有足够的刚度，保证在转换层及其下部构件中内力要分配合理，梁
的高度应不小于跨度的l/6，上、下层刚度比≤2且尽量接近1，这样转换梁、剪力墙柱具备良好的受力性能，结构竖向刚度的变化不大，上柱有良好的抗侧力性能，有利于结构整体受力平衡，从而很好的起到结构转换作用。应该注意的是在满足建筑物质量安全和经济要求的前提下，转换刚度应尽可能的小。④严格控制框支剪力墙与落地剪力墙的比例。当综合考虑剪力墙与抗震时，横向落地剪力墙数目与横向墙总数之比要大于50％，非抗震时不可以少于30％。
⑤尽量使转换层以上的剪力墙和柱子对称分布，粱上立柱应尽量设在转换梁跨中，这样做可以避免转换梁变形时，在粱上立柱的柱脚处产生较大转角，从而使立柱柱脚产生较大变形，引起柱的剪切及弯曲，使立柱超筋。
3高层建筑转换层设计要点
3.1类型的选择
可供转换层选择的构件形式有梁、桁架、箱形结构、空腹桁架、厚板、斜撑等。结合具体工程情况合理选择转换构件。
①应根据所选择的现有结构分析软件，合理选定计算简图，并判断计算模型与软件中的力学模型是否一致。在对结构进行整体分析的过程中，应注意转换层的垂直位置、转换层结构变形及转换层上下层剪切刚度比对结构的影响。②在对转换层进行局部分析的过程中，应注意转换层以上作用的荷载及其分配、转换层的上下层间位移、转换层的上下墙柱内力分布及不同转换层结构形式对楼层剪力的影响，当选用厚板转换时，应注意开大洞厚板的不利应力分布。
3.2控制轴压比
虽然转换层框支梁在与框支柱的内交角处有明显的应力集中现象，但不管是在水平荷载还是垂直荷载作用下，除了柱端截面，框支柱的剪力和弯矩都比较小，轴压力主要是由框支柱承受，转换层以上墙体的垂直荷载不能借助楼板平面内的刚度传递给落地剪力墙，因此要严格控制框支柱的轴压比，抗震设计时框支柱的轴压比要低于0.6，如果是短柱的话还要减去0.05，砼的强度等级不应低于c30，采用螺旋箍围绕框支柱全高加密，箍筋直径要大于10，问距应小于100rnm，有效地提高柱箍筋配箍率可以很好地提高转换层柱的抗剪能力。
3.3转换粱设计
转换粱设计时要特别注意分析转换大梁与上部结构的共同工作程度，它不仅会影响转换粱的内力大小，还可能改变其受力状态。这对于满跨框支剪力墙尤其重要，考虑完全共同工作与否的分析结果有很大的差异，两者的支座剪力和跨中弯矩差距分别为50％和10％，而前者的支座弯矩有所增大，轴向拉应力也明显增大。理论上转换梁应按照轴心受拉构件计算，但研究表明，将转换梁看作深粱的受拉翼缘时可以达到更理想的效果。
3.4控制落地剪力墙的间距
由于地震作用，转换层上下几层竖向秆件的地震剪力都进行了重新分配，转换楼板相应的也完成上下层剪力的重新分配，但因平面内受力很大，造成楼板显著变形，故必须加强楼板的整体性，限
