带转换层的高层建筑结构设计与分析概述

时间：2024-07-28

赵海杰

(南京城镇建筑设计咨询有限公司，江苏南京 210000)

带转换层的高层建筑结构设计与分析概述

赵海杰

(南京城镇建筑设计咨询有限公司，江苏南京 210000)

本文主要是介绍了了结构转换层常见类型及受力机理、转换层在高层建筑中的布置及设计原则以及带转换层高层建筑结构抗震性能，并总结了高层建筑结构转换层设计时应注意的问题，最后介绍了新型转换层结构，以解决转换层建筑结构的不同问题。

高层建筑结构转换层抗震性能

1. 概述

高层建筑结构的下部楼层受力比上部楼层受力较大，所以结构布置通常是下部刚度大、墙体多，但是这样的布局和建筑功能对空间的要求不一致，所以为了能够保证建筑功能的使用，要在结构转换的楼层上设置水平转换构件，这就是转换层结构。

2. 结构转换层常见类型及受力机理分析

结构转换层的类型主要有以下几种：

（1）梁式转换层，也就是上部剪力墙在框支梁上，框支梁由框支柱来支撑的结构受力体系。其优点是传力途径明确、传力直接、构造简单、设计计算简单等，在实际工程中运用最为广泛，常用于底部大空间的框支剪力墙结构体系。

（2）箱式转换层，当一层楼板的刚度不符合理论假设时，在转换梁梁顶和梁底同时设置一层楼板，从而形成一个箱形梁，即为箱式转换层。其优点是约束强、刚度大、上下部传力均匀等，但是其施工复杂并且造价高。

梁式转换层的受力机理分析：梁式转换层结构的是以墙—梁—柱的形式传力，转换大梁的受力主要来自于上部剪力墙刚度、剪力墙与转换大梁的相对刚度、转换梁和下部支撑结构的相对刚度。经过计算发现，只要转换大梁上部墙体长度足够，转换大梁的弯矩相较于不考虑上部墙体作用的情况下小，同样地转换大梁也会出现一定范围的受拉区。主要原因有两个，一是转换大梁位于结构整的受拉区，二是转换梁受到上部墙体竖向力作用时形成了的传力方式。以下是转换大梁受力机理示意图。

3. 转换层在高层建筑中的布置及设计原则

3.1 转换层在高层建筑中的布置原则

转换层的布置较为灵活，只要根据建筑功能和结构传力的需求，沿着高层建筑高度的方向灵活布置，并且自身的空间也可以成为使用楼层或是技术设备层，前提是转换层具有足够的刚度。如果建筑物较高柔，整体刚度不够，可以将转换层与加强层或是设备层综合考虑。如果建筑物大底层上部为多塔的情况，塔楼的转换层要设置在裙楼的屋面层。

3.2 带转换层的高层建筑结构设计原则

转换层不利于结构抗震，所以转换层结构的设计要遵循一定的原则：

（1）在设计中考虑上下层刚度比小于或等于2，最好为1，以保证结构竖向刚度的变化不大。

（2）尽量减少需结构转换的竖向构件。

（3）保证转换层具有一定的刚度。

（4）将框支剪力墙与落地剪力墙的比例控制在一定的范围内。

（5）转换层以上的剪力墙和柱子要对称布置，梁上立柱设置在转换梁跨中。

（6）转换层结构在高层建筑竖向位置要尽可能地低，如果设置在高处不利于抗震设计。如果必须要设置在高处，要采用高位转移，并控制好转换层下部框支结构的等效刚度。

（7）尽可能地强化转换层下部主体结构刚度，弱化转换层上部主体结构刚度。另外还要注意两个问题，一是注重抗震第一道防线的筒体的安全设计，二是在增设剪力墙时要注意整体刚度是否均匀分布。

（8）全面准确地计算带转换层结构。将转换结构看作是整体结构的一部分进行三维空间整体结构计算分析，然后用有限元方法对局部进行计算。转换结构要取至少两层结构进行局部计算模型。整体结构计算至少要取两个力学模型的程序进行抗震计算，还要进行行弹性时程分析计算。

4. 带转换层高层建筑结构抗震性能

带转换层的剪力墙结构是目前工程的主要结构形式，并且转换层位置日益提高。对于带转换层的剪力墙体和筒体这两种转换结构，影响其抗震性能的因素主要有转换层结构与其上层结构侧向刚度比、转换层高度、转换层上部与下部结构等效刚度比。

对带转换层筒体结构的影响因素主要有转换层上部外筒的刚度、转换层高度等，在设计的时候要注意控制转换层上部与下部结构等效刚度比，尽可能地使值达到1，但是不能大于1.3。

5、高层建筑结构转换层设计时应注意的问题

（1）确保大空间层具有一定的刚度，并且将转换层上下结构侧向的刚度比控制在一定的范围内，等效侧向刚度控制在1.0—1.3之间。

（2）采用厚度为200mm的现浇混凝土楼板，并且转换层下一层楼板选用厚度为150mm的楼板，结构布置要对称，加强薄弱部位楼板的厚度和配筋。

（3）结构层间的位移角要控制在标准的范围内，基底剪力和重力荷载要满足抗震需求。

（4）提高框支剪力墙转换层以下竖向构件的配筋率。

6、新型转换层结构

6.1 搭接柱转换结构

6.1.1 设计原则

将转换柱作为转换结构，其优点是混凝土用量少、自重小，建筑空间可以得到充分利用，上下层刚度比较小。需要注意的是搭接柱上方楼盖是薄弱部位，所以要加强其刚度。

6.1.2 搭接柱转换结构的工作原理

搭接块相连楼盖梁板的承载力和轴向刚度控制是搭接柱转换结构安全性和可靠性的保障。楼盖梁板的承载力和刚度足够之后，次内力和搭接柱变形就会得到控制，所以搭接块相连楼盖梁板的承载力和轴向刚度控制是关键。

6.1.3 贯通落地筒体-框架结构工作特性

框架柱搭接转换的根本是弱化框架抗侧作用，以加强核心筒体的抗侧作用，所以核心筒体作为最主要的抗侧力构件，要保证其承载力、延性和截面尺寸。当筒体从上到下缓凝土强度等级发生变化，并且截面尺寸及配时，变化会延伸到搭接柱区段上一层，并且要减弱搭接柱转换引起的局部刚度退化的影响，确保整体结构的抗震承载能力没有发生较大的变化。

6.1.4 搭接柱转换结构计算分析

主要可以采用SATWE、PMSAP等软件进行计算分析。

6.2 其他新型转换结构

6.2.1 斜撑转换结构的优越性

其优点有传力路径明确、受理方式合理、刚度比变化幅度不大等，所以在水平地震作用下，可以减小结构层间剪力和构件内力的变化幅度。

6.2.2 宽扁梁转换结构的优越性

其优点有有利于建筑设备的使用、降低转换层高度、对建筑功能的使用影响不大、转换梁的受力作用较大等。可以根据建筑功能的需要，选择合适的结构转换层不仅可以降低造价，还可以更好地表现出建筑的美。