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带结构转换层的高层建筑结构设计傅晓炜

发表时间：2021/6/10 来源：《城市建设》2021年5月作者：傅晓炜

[导读] 近年来，建筑行业迎来了发展的高峰，不断创新的科学技术为各种复杂高层建筑的诞生奠定了夯实的基础。转换层是高层建筑的常见结构，能灵活连接上下结构体系，有助于实现高层建筑功能的多样化。从力学角度出发，转换层竖向构件的非连续性使其结构受力复杂，当地质灾害发生时易出现薄弱层或软弱部位，影响高层建筑的整体安全。

重庆中国建筑东北设计研究院有限公司傅晓炜 400000

摘要：近年来，建筑行业迎来了发展的高峰，不断创新的科学技术为各种复杂高层建筑的诞生奠定了夯实的基础。转换层是高层建筑的常见结构，能灵活连接上下结构体系，有助于实现高层建筑功能的多样化。从力学角度出发，转换层竖向构件的非连续性使其结构受力复杂，当地质灾害发生时易出现薄弱层或软弱部位，影响高层建筑的整体安全。建筑单位在施工之初应充分了解转换层的结构设计特点，认真分析高层建筑在地质灾害发生时的弹性时程，增强建筑局部和整体的抗震能力，确保实现其设计效果，以此达到保障建筑物使用功能的目的。
关键词：转换层；高层建筑；结构设计
        前言
        随着城市化脚步的加快，我国高层建筑的数量不断增加，规模不断扩大。高层建筑工程的施工工艺往往比较复杂，转换层结构施工是其中比较常见的施工技术，能够在很大程度上缩短工程工期，提高建设效率。转换层结构的种类很多，不同种类的转换层具有不同的适应性。
        1高层建筑转换层施工技术特点
        1.1转换层构件大，楼面承受力大
        对于大规模的高层建筑，在进行转换层施工的过程中，转换层的构件往往比较大，同时高层建筑的的楼板厚度也比较大，最小的厚度也在160毫米以上，因此，高层建筑的楼面必须要具有很强的承载力。这样一来，在对转换层结构进行施工的过程中，要进一步提高楼面的承载力，就应当根据实际情况适当改变转换层结构构件的内力，从而保证转换层结构的水平剪力可以正常向下传导。与此同时，还要保证高层建筑转换层的楼面具备一定的水平刚度。
        1.2叠加浇筑要求高
        前面提到，高层建筑转换层结构的构件往往比较大，且施工时的跨度常常也比较大。如此一来，倘若在实际施工的过程中没有严格按照相关规范和标准执行，则很容易会出现一些安全隐患。所以，在浇筑转换层的过程中，必须要严格按照相关标准进行。尤其是叠加浇筑时，更要特别注意浇筑的质量，在进行浇筑之前，需要对高层建筑分层处的水平剪力进行细致的研究和分析，从而保证叠加浇筑的施工质量，进而保证高层建筑转换层结构的承载力能够达到工程要求标准。
        2高层建筑结构转换层的主要设计类型
        2.1板结构转换层
        由于高层建筑上下两层之间存在很多柱网，设计成板式结构可使各层之间均匀受力，但板式结构自重较大，为保证其转换层作用的实现，需在充分考虑抗剪性的特定要求的基础上合理设计板厚，并采取相应的构造辅助措施，减小由于板结构的柔韧性产生的挠度变形。
        2.2梁结构转换层
        这种转换层结构形式目前在我国应用较为普遍，设计难度也较低，在很多高层建筑的垂直转换施工过程中，这种结构形式更为常见。通过垂直传递外力而将墙转换为梁柱，即便在高层建筑的各楼层间也能很好地传递力，可大幅提升结构的承载力，确保高层建筑整体结构的稳定性，总体而言各方面性能都较为突出，还能有效控制成本。
        2.3厚板厚梁式转换层
        由于部分高层建筑的上、下层柱网分布呈现错综复杂的形式，没有一定的规律性，一般的板式或梁式结构转换层无法充分发挥出承托作用，为此可采用厚板厚梁式转换结构，增加托承板的厚度。但是作为一种主材为混凝土的结构，其具有混凝土结构所存在的缺陷，比如容易产生裂缝等质量问题，施工较为复杂，成本相应提高，此外其结构传力路径非常模糊，对承力柱墙的配筋要求较高，设计难度较大，因此只有在工程确实需要时才会采用此种方案。

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        2.4箱式转换层
        箱式结构转换层完整性较好，主体为单箱托梁和双向托梁，可提高结构受力的均匀性，以此建立的整体式转换结构可有效增强转换层的刚度，但会占用大量的楼层空间，不利于提升建筑空间的功能性，且当上层结构较为复杂时，垂直方向外力传递效果无法保证，垂直向构件的剪力墙与其他设备管线在空间上也会出现矛盾，因此只能将其作为设备层，且由于整体施工难度较大、成本较高，实际应用并不常见。
        2.5桁架式转换层
        主要组成是榀量较多的钢筋混凝土桁架，上下层会分别安装上下弦杆，各层之间最好还要安装上腹杆。作为梁式转换结构的演变形式，其整体性能更为优越，力传播路径更清晰，设计难度也有所降低，且下弦杆的截面积大为减小，转换层可利用功能空间扩大，桁架式转换结构自重较小，抗震性能较为突出，但是节点设计比较复杂，须遵循“强斜腹杆，强节点”的原则。
        3带结构转换层的高层建筑结构设计要点
        3.1结构转换层类型的选择
        转换层的结构有以上多种形式，且具有各自的设计优缺点和适用范围，箱型和板型过渡层的应力相对复杂，对设计的计算要求较高，且混凝土施工成本较高，因此相比梁型转换层作用力简单，从设计和施工及成本上来说可优先考虑。总之，在设计过程中要科学确定转换层结构的形式，结合高层建筑物的转换层实际情况和施工成本控制来合理确定。
        3.2结构布置
        高层建筑须注意对地震的防控，因为转换层超过3层时，易形成薄弱层，抗震性能会下降，因此要合理确定框支剪力墙高层建筑结构地面上的空间层数，避免高位转换，根据抗震等级划分，8度区要低于3层，7度区低于5层，6度区楼层可适当增加，竖向分段布置时，可形成大套小的巨型框架结构，也可间隔布置成错列墙梁或桁架式框架结构，平面布置时，形式较为多变，为扩大底层入口，过渡上、下层柱列的疏密不一，可在周边柱列和角筒上，也可纵横向或与相邻层错开间隔布置，还可与建筑柱网协调布置，相邻层互相垂直布置、悬挑布置，无论选用哪种形式，都应保持与相邻层柱网的统一性。
        3.3构件设计
        框支柱设计，作为对结构整体安全性有重大影响的结构部分，其本身设计需考虑的因素也较多，为降低因裂缝和楼板形变而增加框支柱剪力的可能性，需参考相应的设计规范和标准完善框支柱设计，提升框支柱抗剪能力，强化转换层的连接关系。
        框支梁设计，框支梁截面的受力相对复杂，作为荷载的传输纽带，受力也较大，设计时须充分考虑受力情况，通过精确计算确定剪压比，以选定合适的框支梁截面尺寸和高度，并注意提高剪力墙配筋率的准确度，合理平衡剪力墙的箍筋和纵筋数量，依照强剪弱弯的原则，充分发挥框支梁的减震、抗震性能，降低外力因素对结构转换层的影响，提高结构转换层主体的稳定程度和安全系数。
转换层楼板设计，结构转换层的上下部受力差异较大，通过转换层可对框支剪力墙上、下剪力起到很好的分配作用。由于转换层受力较大，因此须保证足够的刚度，特别是当高层建筑衔接层中有比较薄的楼板时，需合理控制转换层楼板厚度来提高楼板的抗压性，以确保转换任务的完成。
        3.4抗震设计
        （1）减少转换。采用一些直接接地的设计，保证上部竖向结构向下落地连续贯通可有效避免使用较多的竖向转换构件，如框架核心筒结构中核心筒上下贯通，可减少其转换结构与刚度突变的数量，避免形成抗震薄弱层。
        （2）优化转换结构。斜腹杆桁架、空腹桁架和扁梁等结构形式在地震作用下的框支柱柱顶弯矩和柱剪力相对较小，当建筑功能需以高位转换时可优先选用这几种设计形式，并选择传力途径清晰的形式，传力直接，避免多级复杂转换。
        结束语
        综上所述，为实现这些效果须做好带结构转换层的高层建筑结构设计，从转换层自身角度和建筑物整体角度出发，根据高层建筑的实际功能来选择转换层形式、刚度设计措施、结构布置方式等，以安全、适用、经济的设计方案满足高层转换建筑工程的抗震、抗风等设计要求。
参考文献：
[1]唐兴荣.《高层建筑转换层结构设计与施工》[M].北京：中国建筑工业出版社
[2]《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010