浅谈高层建筑结构转换层的结构设计

来源:用户上传      作者: 谭荣广

　　摘 要：现代高层建筑的风格多变，在为了实现建筑在功能上的多样化，需要设置结构转换层，在设计高层建筑结构转换层时应在并兼顾建筑安全性的前提下，使建筑风格和谐，空间利用率高。计高层建筑中的结构转换层分为几种类型，各种类型的设计方法均有许多差别。文章从高层建筑转换层的内涵、总体设计原则及各种不同类型的转换层，分别阐述了常用方法及布置原则，给高层建筑转换层的设计提供了一些参考。
　　关键词：高层建筑；结构转换层；设计；布置原则
　　随着我国经济的不断提高，社会不断进步，建筑行业也取得了长足的发展。城市土地资源的紧张促使建筑物从传统的低层建筑变为高层建筑，高楼大厦越来越多的涌现出来，说明高层建筑已经是一种趋势，其功能也由单一化变为多样化，如一栋建筑，低层门面可以做餐厅、商场，需要空间放开性强；中间层可以出租作为写字楼，需要一般面积的空间，且需要设计成均等面积的小空间；高层空间侧可以作为一般住宅，业主一般要求住宅的装修有个性，不至于千篇一律。在设计上，上层建筑需要小开间或个性化空间的合理布置，需要的墙体数量多，低层的商场需要更多地额空间摆放商品等，需要的网柱数量少，规格大。为了实现其功能的多样性，满足人们的使用要求，在转换层的结构上也需要有选择性，如梁式转换结构、箱型转换机构、桁架式转换结构、厚板厚梁式转换结构等。
　　1 高层建筑结构转换层的特点
　　高层建筑结构的转换结构的组件在高层建筑物中间，对于外力荷载起到了承上启下的过渡作用，即承载上层建筑到来重力荷载，对下层建筑的悬挂构建荷载也需要起到依靠作用，也因此该特殊作用，其也呈现出多种特点，具体总结有以下几点：①内力大 因其一方面要承受了来自上层的重力，另一方面要承载下层建筑的悬挂力，对其内力的要求很高；②跨度大 转换构件的跨度一般是上层结构的几倍，因此，垂直挠度的要求相当高；③构件截面大面积 加强转换构件的刚度和强度时，根据刚度及强度的计算公式进行调整，较为有效手段是增加构件截面面积，因此，就够构件的截面面积较大；④特殊设计 高层建筑转换层的设置，造成了建筑物垂直向的刚度的规则性较差，各项外力的传递路线有所变动，不能使用一般方法进行计算，在分析及设计转换层的结构是，不能使用常规方法，其设计显得较为特殊。
　　2 设计原则
　　高层建筑采用转换层使之达到要求的功用，但是转换层在一定程度上对建筑物垂直向的刚度产生了影响，若出现地震情况，其上下层极易变成整个建筑的短板部分，因此在设计转换层是应遵守以下几个原则：①减少垂直构件的使用 直接接触地面的垂直向组件越多，转换结构也随之减少，成反比的变化，刚度分布均匀，抗震效果越好；②位置低 转换层在高层建筑的位置需适当低一些，不易过高，高度越大，下层的悬挂荷载处于超重状态，会使转换层压力过大；③合理选择机构类型 根据建筑物的结构及具体受力情况，选择外力传递路线明朗的结构类型，便于分析结构及计算应力，控制施工质量；④小刚度 在保证建筑物安全性的条件下，不仅仅要控制施工成本，也应控制其刚度，避免刚度过大。
　　3 高层建筑转换层结构的主要类型及设计方法
　　各个建筑的风格、受力情况、外部荷载、使用功能均有所区别，因此在选择转换层结构的时候应综合考量，合理选用箱式转换结构、梁式转换结构、桁架式转换结构、厚板式转换结构等，各种结构的设计方法也有许多差异：
　　3.1 箱式转换结构。箱式转换结构的本质是单箱托梁和双向托梁与上层及下层较厚楼板连接起来，形成的一个整体，并具有较高刚度的转换层，其优势在于结构完整，受力点均匀。当高层建筑的上层结构的构建较多较繁杂时，其垂直向的组成构件对外力传递较为有效，但是缺点在于其在布置时，挤占了楼层的使用空间，导致该楼层功能单一，无法作为他用，只能作为设备层。其垂直向构件的剪力墙容易与其他设备及管道线路的设计发生位置的重叠，且其施工难度大、成本高，自身重量较大，内力构成颇为复杂，分析及计算有一定的困难，因此建筑行业应用并非十分广泛。
　　3.2 梁式转换层结构。梁式转换层结构的垂直向外力传递路径运用形式为墙（柱）转换梁柱（墙），也因此具有许多不同与其他转换层结构的明显优势，如外力传递较为直接、路径简单清晰等。在设计时内力的分析及计算没有过多的障碍，施工简单，且成本较低，因此在建筑行业使用的最为广泛。一般带转换层结构的高层建筑均选择梁式转换层，其数量约占转换层总量的四分之三。按照其功能、形式、材料、等不用的标准进行划分，梁式转换层可分为许多种类型，如托墙、托柱、加腋型、不加腋型、钢结构型、钢筋混凝土型、钢骨混凝土型等。因转换梁主要是功能是承受垂直向的外力，受力的特点表现在外力的作用下的受力规律，故而其设计的具体方法应参考其应力大小、刚度、强度以及转换层的形式，并使用有限元分析程序对其各方受力情况进行精确分析计算。
　　3.3 桁架式转换结构。梁式转换层的另一种发展即为桁架式转换结构。其承重结构一般是由榀量相对的较多的钢筋混凝土桁架所组成，在转换层的上层及下层楼的结构层内分别设置上弦杆及下弦杆，并在层间设置腹杆。该结构相对于梁式转换结构，具有许多优点。其整体性更高、受力路径与状态更加清晰，设计是便于分析及计算受力情况；桁架的高度较大，因此下弦杆的截面面积小，占用空间十分有限，因此转换层不仅能作为设备层，还可以用作他途；自身重力小，提升了外力的承载力；管道安装与维护上较为方面及抗震性能优良等。但其也存在某些固有缺点。其设计的基本原则是“强斜腹杆，强节点”，但因其节点荷载状况的影响因素众多，设计有一定的难度，且楼层的高度较小时，斜压腹杆会成为超短柱，出现地震时，节点较为薄弱，极易被破坏。
　　3.4 厚板厚梁式转换结构。建筑物的上下层的柱网分布不均匀，轴线分错较为复杂时，使用托梁直接承托无法到达效果，应做成厚度较大的托承板，即厚板厚梁式转换结构。为了达到使用要求，一般托板厚度需要很大。该转换结构的优点在于上层柱网布置的随意性较大，可以与下层网柱不形成对称，较为方便，但其缺点也很多。该结构的传力情况不清晰，在使用有限元分析程度进行分析计算时有许多障碍，难度很大。在受力方面柱墙或各个连接部分需一定量的配筋，即设置暗梁，以增加配筋，消耗材料较多，不利用控制施工成本；转换板较为厚重，实际转换板厚度可达2.5m左右，自身质量大，对于该转换层纵向构建的承载力要求较高；该结构需要的混凝土用量极大，经济效益差；并由于后厚板刚度及质量均较大，抗震效果不理想，厚板受震例较大，垂直刚度也有较大变化，极易出现明显的裂缝及缓凝土脱落现象。
　　4 结语
　　功能多样化的高层建筑物，由于受到多方外部及自身荷载的影响，其应力结构十分复杂。高层建筑转换层作为建筑物的重要组成部分，选择结构形式的时候，应充分考虑与建筑方案的契合度，合理选择机构类型。设计时严格按照相关规范的要求进行，先提前做好相应的应力计算，并注重结构的设计内涵，综合考量建筑各个层次空间的使用功能，合理设计，使建筑物不仅在水平及垂直方向上具有强大的抗震能力，保障建筑物的安全性，并能完美的发挥出使用效果。
　　参考文献
　　[1] 毛华毅.浅谈高层建筑结构设计的若干问题[J].山西建筑，2010.
　　[2] 朱庆贤.探讨高层建筑中结构转换层的设计[J].广东科技，2010.
　　作者简介：谭荣广，身份证号：440782197701083336。
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