东莞市东城建筑规划设计院 广东东莞 523000
摘要：随着突飞猛进的国民经济的发展，我国建筑行业也与时俱进，高层建筑数量与日俱增，而在人们生活质量普遍提高的今天，对高层建筑的利用也提出了更高的标准，高层建筑的转换设计和使用受到广泛关注。但转换结构设计不是简单的工程，主要表现在转换结构承受较大的负荷，板件太厚，导致支模系统承受很大的受力而且具有复杂性，必须对多方面的因素进行综合考虑，切实提升设计质量。本文将对高层建筑的转换结构的特点进行介绍，总结其设计的原则，阐述了其结构形式和设计要求，最后提出了关于转换结构构件的设计方法。
关键词：高层建筑；转换结构；结构；设计方法
引言：
现代高层建筑向着更高的层数、多样化的结构、更加复杂的体型、超强的综合性、功能更全面的趋势发展。在建筑物的实际设计中，由于下部楼层受力过大，而上部楼层受力相对较小，所以在设计上通常是下部刚性大，呈现出下部结构多墙和柱网密的特性。实际工程中常常由于使用功能需求较大的空间，由此为了实现建筑物的功能价值，形成合理的结构布置，有必要在结构中设置转换层，因为转换层具备传力直接、受力明确、节约成本的优势，在高层建筑中被广泛应用。本文将从以下几方面进行分析。
一 高层建筑转换结构的特点和设计原则
（一）设计特点
高层建筑的转换层在高层建筑物中间，所以具备“承上启下”的特征[1]。不仅要承担建筑上层的重力荷载，更要成为下层建筑悬挂构建荷载的主要依靠，基于这样独特的作用，转换层便具备如下特征。特点之一就是超大的内力。转换层既要承载上层的重力，又要承载下层建筑的悬挂力，对内力的要求很强；特点之二就是设计的特殊性，因为转换层的设计要求，导致规则性很差，同时改变了外力的传递路线，不能采用一般的计算手段，而且在分析和设计上也不能利用常规的方式；转换层设计的特点之三是构件截面大、跨度大，为了确保转换层的刚度和强度，转换层空间设置- -般都高而大，梁的截面尺寸也会比较大，这样将会影响到转换层的使用空间。
（二）设计原则
为了发挥应有的功能和用途，高层建筑设置了转换层，但这样的设计会对建筑物竖向刚度造成一定的影响，一旦发生地震，转换出及其上下层就会暴露整体结构的短板，因此在设计高层建筑转换层的时候必须遵循四点。第一，尽可能减少竖向构件的转换；第二，最大限度地降低转换层的位置；第三，转化结构的布置应合理并遵循结构传力途径；第四，在确保高层建筑安全的基础上，进行成本和刚度的控制。转换层平面布置图见图1。
二 转换层的主要结构形式
（一）梁式转换结构
在高层建筑转换形式中梁式转换结构是普遍采用的形式，该结构形式传力直接、受力明确以及成本较低。通常情况下，框支剪力墙结构的建筑适合梁式转换结构。单向的转换梁可以应用于仅有上部单向墙体作用的类型；而针对上部有双向墙体作用的情况，必须利用双向交叉转换梁。
（二）厚板式转换结构
如果上面的剪力墙布置复杂，呈现上下轴线多处错开，采用转换梁结构不能直接承托的时候，其转换结构就要考虑采用厚板式。该板式转换结构的特点是可以对上部墙体及下部柱网进行灵活布置，不受结构轴网的影响；同时该转换结构还具备结构刚度大、超大的构件、消耗材料多、自重大、成本高的特点。通常情况下，这种板式转换结构多数应用于上下结构轴网变化大的高层建筑，板的厚度的调整根据上下轴网的大小和承托的层数选择。
（三）箱形转换结构
箱型转换结构的形成是基于转换层上下板较厚，与中间的托梁一起承担任务的前提。结构层刚度大、构件传力明确、结构层刚度大是箱型转换结构的特点。箱型转换结构不用去考虑梁式转换结构中对大梁开洞的转换。还可以局部设置刚度大的转换梁结，有助于整体结构的稳定[2]。
（四）桁架式转换结构
如果楼层底部空间设计较大的柱距情况下，整体楼层的高度相当于转换梁高度，却难以开洞导致无法利用该楼层，而应用当桁架式转换结构解决这个问题。该转换结构的显著特点是受力明确、结构简单。
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图1 转换层平面布置图
三 转换层结构的基本设计要求
（一）抗震烈度的要求
在高层建筑进行9度抗震设计时，基于没有针对转换层的结构进行试验研究，缺乏实践的数据，所以不能应用于转换层结构。也就是说，带转换层的结构设计标准必须低于抗震设防8度的区域。
（二）计算的要求
基于十分复杂的高程建筑转换层结构，针对内力的分析和比较应该利用两个以上的分析软件进行，例如三维空间软件等，确保结构构件设计得科学合理性。在进行抗震计算时，应该按照平扭耦连计算结构的扭转效应，不能低于15的振型数，针对多塔楼结构的振型数不能低于塔数的9倍，而且对振型数的计算中，参与的振型质量应超过总质量的90%。针对多遇地震计算，要考虑利用弹性时程分析法实施补充计算。针对比较复杂的受力部位，必要时惊喜详细的应力分析，充分掌握应力分布状态，并进行设计配筋校核[3]。
（三）转换层位置的要求
针对高层建筑底部大空间框支剪力墙结构地面以上大空间层数的要求，其中八度的时不超三层、七度时不超过五层、六度时可以合理增加层数。带转换层的高层建筑结构，其抗震等级应符合相关规范的要求，如果在三层或者三层以上设置转换层时，应相应提高。设计中可根据侧向刚度等指标合理确定转换层位置。
（四）底部剪力墙的布置要求
1、倘若在水平荷载作用下，转换层上下部楼层的结构侧向刚度呈现较大差距时，会造成转换层上、突变的下部结构构件内力，对部分构建造成提前破坏，所以在设计的时候必须保证转换层上、下结构侧向刚度符合两方面的要求。如果在一、二层设置当转换层时，可相应利用转换层与其相邻上层的等效剪切刚度比Υe1，Υe1宜接近1，非抗震设计的状态Υe1必须超过0.4，抗震设计状态必须超过时0.5。如果在二层设置转换层，转换层与其相邻上层的侧向刚度比应该超过0.6，按整体模型计算的等效侧向刚度比Υe2在非抗震设计时不应小于0.5，抗震设计时不应小于0.6.
2、为了符合上、下层转换层刚度比的条件，要考虑加厚筒体底部墙体和落地剪力墙。
3、为了确保转换层具备相应的剪力，严禁对框支层周围楼板进行错层布置。
4、若框支梁上墙体设置边门洞，就会出现应力特别突出的小墙肢，会导致边门洞部位框支梁应力快速加大。因为水平荷载的作用力，从弯矩和剪力方面分析，上部边门洞框支墙要高出上部无边门洞框支梁的三倍。所以，在框支剪力墙转换梁上一层墙体内不适合设置边门洞，更不适合在中柱上设置门洞。
四 转换层结构构件设计
（一） 框支柱的设计
一般情况下，通过轴压比来确定框支柱的截面尺寸，还需要符合抗震构造措施的要求；框支柱的延性也会受到压轴比的影响，所以对轴压比进行严格的控制，方可保证框支柱的延性。因为工程框支柱具备相当级别的抗震属性，必须让轴压比控制在0.6以内；如果截面尺寸比大，就需要将轴压比控制在0.55以下。此外，框支柱的延性还会受到配箍率的影响，因为比起一般框支柱会呈现更大的配箍率。框支柱是建筑转换层结构中关键的构件，基于结构质量评估的要求，配箍率对安全性有直接的影响。所以，必须用增大系数乘以柱端剪力和柱端弯矩的公式来进行计算，可以直接选取30%的基底剪力，计算过程要按照相关的程序进行，可以设定楼板具备的刚度符合所有要求，剪力水平的分配要按照构件的竖向刚度进行。因为底部剪力的刚度完全高于框支柱的刚度，因此呈现很小的框支柱的剪力。
（二） 框支梁的设计
合理设计框支梁，可以充分保证上部剪力墙的抗震性能。而框支梁的截面尺寸必须按照剪压比进行控制，根据两倍以上的上部墙的厚度进行宽度的设计，确保其厚度不低于40厘米。要根据跨度决定高度。基于受力很大，必须在结构的设计中留设一定的安全储备。如果框支梁的抗震等级为二级，纵筋就必须确保0.4%以上的配筋率。通常情况下，因为框支梁均匀受力能力差，其中轴力很大，就要确保腰筋量的配置满足对应的条件，方可保证施工的顺利进行。框支梁具备重要抗震功能，必须执行强减弱弯的规则。
（三）转换层楼板设计
在转换层楼板的设计中，其设计要点是对楼板平面内的刚度和整体性强化，必须保证左右对称的结构布置，要在楼板薄弱部位增加配筋和厚度；在分析整体结构中，要充分分析薄弱部位楼板平面内变形对受力的影响；借助调整剪力墙，使刚心更贴近结构质心，杜绝扭转现象发生；同时要规则地布置平面。同时，水平剪力就是由落地剪力墙主要承担，所以会在转换层处体现不均匀的负荷，而发挥极大作用的是转换层楼板，需要对上下部分剪力进行分配，同时转换层的楼板受力和变形相对大，要想发挥其功能，就必须确保刚度的达标。
（四）转换梁截面设计与计算
正常情况下，会利用剪压比来计算转换梁截面尺寸，由此才可以确保配箍率的达标，而且可以绕开脆性破坏问题。在进行计算转换梁支座截面处剪力设计值的时候，务必充分考虑上部受力的不对称问题以及相关的因素。
1、深梁截面设计方法
一般情况下，基于上部结构产生的垂直方向重力需要换梁结构来承担，所以转换梁的跨度必须大于上部结构跨度。在设计转换梁的时候，必须设计足够大的截面面积。以此确保转换梁以良好的支撑力承受上部结构形成的巨大压力。参考建筑工程弹力学的基本原理可知，因为墙体的受力与转换梁的受力相同，转换梁的跨度必须和墙体的高度成正比例，即转换梁的跨度越大墙体结构就要越高。
2、应力截面设计方法
根据转换梁结构的传力途径，采用有限元的分析方式，能够对转换梁的应力和分布规律实施准确的计算。可以根据已经获得的应力和分布情况，对转换梁截面的钢筋进行有效计算。
五 结束语
总而言之，对不同转换层结构的设计，就是为了适应高层建筑结构的多变性，而转换层结构形式的不同也形成不同的受力特点和适用范围。基于转换层是高层建筑的核心构成，因此在进行转换选择时务必要结合建筑方案的契合度。建筑物不仅要有超强的抗震能力确保建筑的安全，更要体现使用效果的完美性，所以在设计过程中提前进行应力计算，按照严格的规范标准执行，认真评估不同层次空间的使用价值，然后进行合理地设计。
参考文献：
[1]赵晓军，孟艳.探究高层建筑转换层的结构布置及其设计方法[J].河南科技，2014，11-0196-01.
[2]刘勇.高层建筑转换层结构研究现状与设计方法、要求[J].建筑结构，2018，（08）.
[3]毛华毅.浅谈高层建筑结构设计的若干问题[J].山西建筑，2010，36（9）：123～125.