徐文军
中国铁路设计集团有限公司 天津市 300308
摘要：近年来，我国的综合国力发展迅速，高层建筑的发展也有了改进。随着社会经济的飞速发展，高层建筑已经成为现代社会建筑领域的主要模式，为满足人们生产生活需要，保障人们生活生产的安全性和稳定性，当前高层建筑采用多种结构设计形式进行设计施工，转换结构就目前来看采用的颇为普遍。随着城市土地供应量的减少，以及不同人群的使用需求，高层建筑已成为建筑领域的主要类型。高层建筑由于其结构的复杂性和越建越高、越建越前卫的发展趋势，无论对设计还是施工技术水平都具有极大的挑战性。为提高高层建筑工程质量，保证稳定性和安全性，高层建筑在设计和施工过程中尤其要注意结构受力问题，以避免施工及使用期间对高层建筑造成的破坏。计算机技术的发展使转换结构的受力计算更加准确，通过对结构不同时期受力的模拟，转换结构的应用越来越广泛。
关键词：高层建筑；转换结构；探讨及应用
引言
城市化进程的快速推进促进了高层建筑的大力发展，建筑结构形式越来越复杂，对结构构件的承载能力有了更高的要求，为此应采取可靠措施保证传力路径简洁明确。不同高层建筑物类型在作用和功能方面有着明显的差别，结构转换层在高层建筑结构中可作为承重结构的过渡带，或者说是起上部建筑结构地基作用，可有效提高高层建筑整体结构稳定性，保证其使用安全性和寿命。但是要发挥其应用效果须保证其设计合理，选择合适的结构形式，对构件进行应力分析，同时考虑上下层建筑结构的设计要求，科学合理地对高层建筑进行规划，发挥结构转换层对房屋建筑整体稳定性和安全性的保障作用。
1转换层概述
不同建筑项目有自己不同的功能。有的上下楼层使用功能不同，相应设计也就采取不同的结构布置方案。结构设计人员会根据结构类型的不同采取相应的结构转换，形成不同类型的结构转换层。现阶段常用的高层建筑大多采用商住两用的形式，即底部为商业区，上部为住宅区。例如根据功能的需求，将7层以下作为商业区，7层以上作为住宅区。商业区的低层区域需要有更大的空间，多以柱作为承重构件。住宅区则要尽量减少柱的存在，采用剪力墙作为竖向承重构件进行房间的分割，便于使用。结构设计人员要根据结构的实际布置情况进行转换层的设置。保证建筑物的结构安全，满足不同用户的使用要求。斜杆桁架式、箱式、板式、空腹桁架式以及梁式是都是常见的转换层结构。从类型上来看，转换层大致有三类：一是上下楼层不同结构类型的转换，这种类型的转换可以在下部创造更大的空间，上部采用正常需要的结构形式，常见的为托墙转换；二是上层和下层柱网间距不同的转换，它不改变结构形式，只是改变相应位置的柱间距。通过转换设计使下部形成大的跨度，满足使用要求，例如大厅入口等，常见的为托柱转换；三是轴线改变及结构类型的转换，这种类型的转换可以使上下层轴线错开，转换柱位置不完全与上部剪力墙或框架柱对应，上下层之间结构不对齐，此种情况会存在多级转换。
2带结构转换层的高层建筑结构设计要点
2.1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。
2.2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，因此要合理确定部分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。
2.3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。
2.4抗震设计
结构转换层的上下部的刚度会发生突变，在发生地震时这一缺点将明显暴露，极大地危害房屋稳定性，为此在考虑转换层的抗震性能时需遵从以下2点设计原则。（1）减少转换。
采用剪力墙或框架柱直接落地的设计方案，保证竖向结构构件能够连续贯通，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，当建筑功能需要采用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。
3梁式转换层结构的设计与构造要求
3.1抗震等级的确定
根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3—2010）相关规定，建筑工程分为4个抗震设防类别：特殊设防类（甲类）、重点设防类（乙类）、标准设防类（丙类）、适度设防类（丁类）。以某栋22层高层建筑为例，该高层建筑抗震设防烈度为7度，丙类建筑，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0. lg。地上21层，其中地下一层为停车场，地上1~4层为商业综合体，5层及以上为住宅。1层层高5.1m，2~4层层高均为4.2m，5层及以上层高为3m。其中4层设置为结构转换层兼设备层，属于工程转换层，其以下楼层为部分框支剪力墙结构，其以上楼层即5层及以上为纯剪力墙结构，因此该建筑属于多种结构形式共存的复杂高层建筑。它的抗震等级确定就应该按照《高层建筑混凝土结构技术规程》中对不同结构体系和各部位不同结构构件来确定抗震等级。以上面的22层高层建筑为例，它的转换层设置在4层，属于高位转换。建筑总高度为68.7m，低于80m。转换层底部加强部位取转换层以上二层且不宜小于房屋高度的1/10。抗震构造措施的抗震等级：7层及以上剪力墙非底部加强部位抗震等级为三级；框支框架为二级，6层及以下剪力墙底部加强部位抗震等级在二级的基础上提高一级，框支柱（不含框支梁）提高为一级，提高底部抗震能力。此类高位转换结构在设计时，一定要弄清楚各个部位的抗震等级，通过软件计算时要清楚每个参数的意义及适用范围。
3.2结构平面布局
以22层建筑为例，该高层建筑5层及以上为纯剪力墙结构，在进行剪力墙平面布置上，要求必须符合相关抗震设防要求，剪力墙的平面布置宜简单、规则，沿两个主轴方向或其他方向双向布置，两个方向的侧向刚度不宜相差过大，刚度中心和质量中心及相邻层质心偏差不大于相应边长的15%，避免偏心布置，减少结构不规则数量。尽量使更多的剪力墙能够均匀布置，增强抗扭能力，A级高度建筑在不考虑偶然偏心的情况下，结构周期比Tt/T≤0.85，各层扭转位移比在考虑偶然偏心的情况下不宜大于1.2，不应大于1.4。应严格控制结构的平面布置和扭转，保证设计合理性。
3.3结构竖向布置
高层建筑因结构复杂，特别是有“高位转换”转换层的高层建筑对转换层结构的侧向刚度都有明确规定：转换层上下等效侧向刚度比宜接近1，不应大于1.3，楼层剪力与层间位移的比值不应小于0.6，遵循“下刚上柔”的原则。主要做法有：一是增大底部刚度，核心筒部分剪力墙不得转换必须连续贯通，使尽可能多的剪力墙落地，必要时可在底部不影响使用功能的部位增设不伸上去的剪力墙。这可通过与建筑专业协商来实现。二是在无法增加墙长的情况下，适当加大底部剪力墙厚度，减少底部剪力墙开洞，避免刚度削弱。三是通过适当减少转换层上部剪力墙数目，以弱化上部刚度，减轻建筑物自重，减少框支梁承受的荷载。四是在上部刚度调整有难度的情况下，采用高强度混凝土来提高底部柱、墙的刚度，起到“强化底部”的目的。高层建筑梁式转换层结构的设计和应用是一项庞大、复杂的设计工程，要求严谨、科学、合理，必须要以建筑的稳定安全为首要考虑要素，因此在结构设计过程中还必须高度重视高层建筑梁式转换层结构设计中要面临的嵌固端设置、受力分析及超高问题等重点难点问题。只有在严格遵循三维设计原理、有限元原理和协同工作原理的基础上开展结构设计，认真做好受力计算，充分考虑结构平面布局、竖向布置和嵌固端的设置等重点难点，才能为高层建筑梁式转换层结构设计出科学合理的设计方案，为高层建筑顺利施工提供最基本指导蓝图。
结语
综上所述，高层建筑转换层的设置对于建筑工程来说非常重要，无论是方案阶段、设计阶段还是施工阶段，都关系到工程项目的安全和质量。方案阶段尽可能全面的考虑到各种可能面临的问题，确保大方向的可行性。设计单位应严格控制结构计算准确率，尽量能够通过软件真实地模拟出实际受力状况。施工单位要控制整个结构体系的施工要点，从实际情况出发，提升工程质量水平，杜绝安全事故发生，为行业的稳定发展奠定基础。
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