带结构转换层的高层建筑结构设计分析

徐吉军

【摘要】随着城市化进程的不断推进，我国城市土地资源紧缺问题正日益严峻，在此背景下，城市中的建筑正越来越多的趋向高层建筑发展。高层建筑将大部分建筑空间延伸到了上层，从而大大节省了土地资源，但与此同时，其各方面的设计难度也更大。尤其是很多高层建筑带有结构转換层，这更是一项难点设计部分。本文主要分析了带结构转换层的高层建筑结构设计问题。

【关键词】结构转换层;高层建筑;建筑结构;结构设计

近年来，城市中的高层建筑数量及规模正在与日俱增，随着一栋栋“摩天大楼”的拔地而起，对它们的设计也提出了更高的要求。就现实情况来看，我国大部分的高层建筑都采用了带结构转换层的结构形式，其主要目的是提高建筑的功能与性能。但是，带结构转换层的高层建筑结构在设计之时的难度也比一般高层建筑更大，需要综合考虑到各方面的影响因素。以下就联系实际来谈谈带结构转换层的高层建筑结构设计的相关问题，仅作抛砖引玉之用。

1、高层建筑转换层结构的概念及特点

当高层建筑的上、下两部分使用功能存在差异时，通常会在上、下两部分采用不同的结构方案，而在这种情况下，就需要运用到转换层来对上、下结构进行转换。高层建筑的转换层结构大多位于建筑中部，主要功能是转换建筑自身的外力荷载，所以转换层结构既要承受建筑的重力荷载、又要支撑建筑下部分的悬挂构建荷载。基于此，高层建筑的转换层结构一般具有如下特征：第一，具有很大的内力，足以同时承受上层重力和下层悬挂力;第二，具有很大的跨度，垂直挠度也随之增加;第三，具有很大的构件截面面积，使之具备足够的刚度和强度。

2、带结构转换层的高层建筑结构设计原则

在带结构转换层的高层建筑结构设计过程中，主要需要遵循以下几点设计原则：第一，在设计过程中应当要把握好不同楼层之间的受力控制问题，保证受力结构的稳定性，转换层的核心选择最可靠的受力结构;第二，在设计过程中应当要将高层建筑结构中的转换层的位置适当放低，因为如果转换层的位置过高的话，则下层的悬挂荷载会发生超重，从而增加转换层的压力;第三，在设计过程中应当要科学确定转换层结构的形式，根据高层建筑自身的结构及受力状况来合理确定外力传递模式，从而更加准确的计算出应力;第四，在设计过程中应当要合理确定转换层的刚度，刚度既不能过大、也不能过小;第五，在设计过程中应当要做好建模工作，上传详细的设计数据，根据建筑结构设计图纸，按照一定的比例输出，确保建模效果;第六，在设计过程中应当要至少采用两种计算模型进行整体建筑结构计算，合理分析结构的弹塑性、抗震能力以及载荷能力等。只有在实际设计过程中充分遵循上述设计原则，才能够有效保证带结构转换层的高层建筑结构设计效果符合预定目标。

3、常见的高层建筑转换层结构类型及其设计方法

3.1箱式转换结构

箱式转换结构主要是由单箱托梁和双向托梁联系起来组成的一个整体。通过在高层建筑中使用箱式转换结构，可以有效增强转换层的刚度、保证结构的完整性、提高结构受力的均匀性。不过，箱式转换结构存在着很多局限之处。当高层建筑的上层结构较为复杂之时，采用箱式转换结构会在很大程度上影响到垂直方向的外力传递。在实际设计过程中，箱式转换结构还会占用大量的楼层空间，从而影响到楼层功能，因此只能够将其作为设备层。再者，箱式转换结构的垂直向构件的剪力墙与其他设备管线之间容易出现位置重叠，且内力构成颇为复杂，因此整体施工难度较大、施工成本较高。基于此，目前箱式转换结构的应用范围不是十分广泛。

3.2梁式转换结构

梁式转换结构的主要原理是通过垂直传递外力而将墙转换为梁柱，优势在于可以大大提升结构的承载力。其次，梁式转换结构的外力传递效果较好、传递路径较为清晰，从总体上而言，其各方面性能都较为突出。再者，在实际设计过程中，梁式转换结构的设计难度也较低，无论是对其的内力分析还是计算，都较为简单，以及还可以有效控制成本。因此，目前梁式转换结构在高层建筑结构设计中的应用比较广泛，我国大多数高层建筑也都是采用的这种转换层结构。

3.3桁架式转换结构

桁架式转换结构可以看作是梁式转换结构的另一种发展形式。一般情况下，桁架式转换结构中的承重结构的主要组成是榀量较多的钢筋混凝土桁架。在桁架式转换结构的上层通常会安装上弦杆，而在其下层则会安装下弦杆，另外在各层之间最好还要安装上腹杆。与传统的梁式转换结构相比，桁架式转换结构的整体性能更为优越。具体来说，首先桁架式转换结构具有很好的整体性和更加明晰的力传播路径，在实际设计过程中的难度更低;其次，由于桁架的高度非常高，因此可以大大减少下弦杆的截面积，从而更加有利于提升空间利用率，同时转换层的功能也更加丰富;第三，由于桁架式转换结构的重力很小，因此可以大大提升承载性能乃至管道安装后的抗震性能。当然，桁架式转换结构也并非没有缺点，由于其在设计过程中需要遵循“强斜腹杆，强节点”的原则，因此节点荷载影响因素较多，且若楼层的高度不大时，斜压腹杆容易成为超短柱，抗震性有所不足。

3.4厚板厚梁式转换结构

由于部分高层建筑的上、下层柱网分布均匀性较差及轴线分布较为繁杂，所以仅采用传统的托梁往往无法起到有效的承托作用，若想充分发挥出其承托作用，需要增加托承板的厚度。在此背景下，厚板厚梁式转换结构应运而生。厚板厚梁式转换结构主要是由混凝土材料构成的，应用它可以在布置上层柱网时无需遵守严格的规定。但厚板厚梁式转换结构也存在一些缺点，例如其结构传力路径非常模糊，无法采用有限元分析法进行分析和计算，因此实际设计难度较大。再者，在其承力柱墙上需要设置配筋以确保稳定性，且要求转换层具有良好的纵向承载力。另外，厚板厚梁式转换结构还具备一切混凝土结构所存在的缺陷，例如成本较高、容易出现裂缝和混凝土脱落等。因此，如果想要采用厚板厚梁式转换结构的话，需要先充分考虑到实际情况是否合适，而不能盲目使用。

结语：

综上所述，高层建筑转换层结构的主要功能是转换建筑自身的外力荷载，其往往具有很大的内力、很大的跨度以及很大的构件截面面积。常见的高层建筑转换层结构类型有箱式转换结构、梁式转换结构、桁架式转换结构、厚板厚梁式转换结构等，每种都各有优缺点，在设计中一方面要结合实际情况合理选择转换层结构类型，另一方面要严格遵循相关设计原则。

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