带转换层的高层建筑结构设计与分析概述
带转换层的高层建筑结构设计与分析概述
摘要：转换层结构的高层建筑受力复杂,结合某高层建筑商住楼工程实例，扼要介绍高层建筑转换层结构设计要点、构造情况及转换层的设计方法。详细阐述了高层建筑结构转换层的多种型式，结构传力机理、结构设计特点和计算方法，并对设计细节进行了优化，对计算结果具体数据进行了分析和评价。关键词：高层建筑；梁式转换层；结构设计；剪压比
DesignandAnalysisofHigh-riseBuildingwithTransferFloor
Structure
NanjingGaoKeConstructionanddevelopmentCo.,LtdYanShuai
Abstract:Thehigh-risebuildingwithtransferfloorstructurehadcomplexforces,thepaperiscombinedwithahigh-risecommercialandresidentialconstructionexample,briefhigh-risebuildingwithtransferfloorstructure,constructionanddesignmethodofthetransferfloorstructure.Describedindetailthestructureofhigh-risebuildingswithtransferfloorstructureofavarietyoftype,thestructureoftransmissionmechanism,structureandcalculationofdesignfeatures,designdetailsandoptimizedresultsforspecificdataanalysisandevaluation.
Keywords:high-risebuilding;beamtransferfloor;structuredesign;shearcompressionratio1概述
现代高层建筑正向体型复杂、功能多样、造型新颖的方向发展。例如,在同一座建筑中,沿房屋高度方向建筑功能常要发生变化,上部楼层布置旅馆、住宅;中部楼层用作办公用房;下部楼层布置商店、餐馆和文化娱乐设施,这种不同用途的楼层需要采用不同形式的结构。从建筑功能上看,上部需要小开间的轴线布置并需要较多的墙体以满足旅馆和住宅的功能要求;中部则需要较小的或中等大小的室内空间,可以在柱网中布置一定数量的墙体以满足办公用房的功能要求;下部需要尽可能大的自由灵活的室内空间,要求柱网大,墙体尽量少,以满足商店、餐馆等公用设施的功能要求。上述要求与结构的合理布置正好相反。
由于高层建筑结构下部楼层受力很大,上部楼层受力较小,正常的结构布置应是下部刚度大、墙体多、柱网密,而到上部则逐渐减少墙体及柱的布置,以扩大柱网。这样,结构的正常布置与建筑功能对空间的要求正好相反。因此,为了适应建筑功能的变化,就必须在结构转换的楼层设置水平转换构件,即转换层结构。2结构转换层常见类型及受力机理分析
转换层根据建筑功能的需要，可作为正常使用的楼层，但应有较大的层高作为保证；在层高受限制或设备专业需要时，也可以作为设备层，在结构型式上，转换层在设计常分为以下几种类型：
（1）梁式转换层，即将上部剪力墙在框支梁上，再由框支柱来支撑框支梁的结构受力体系。当需要纵横向同时转换时，则采用双向梁布置。其优点为传力
直接、明确,传力途径清楚,受力性能好,构造简单,施工较方便,设计计算较容易，是目前应用最广的转换层结构型式。一般运用于底部大空间的框支剪力墙结构体系。
（2）箱式转换层，当转换梁截面过大时，设一层楼板已不能满足平面内楼板刚度无限大的假定。为了使理论假定和与实际相符，可在转换梁梁顶和梁底同时设一层楼板，形成一个箱形梁，箱形梁的这种转换结构，一般宜遍布全层设置，且沿建筑周边环通构成“箱子”，即称箱式转换层。箱式转换层的重要优点在于，转换梁的约束强，刚度大，整体受力效果好，上下部传力较为均匀，还可将其利用作为设备层，其缺点是施工复杂，造价较高。
此外，转换层还有厚板式转换层、桁架式转换层等。但大都因受力复杂且施工难度大、经济效益不高而实际应用相对少。
（3）梁式转换层的受力机理分析：梁式转换层结构的传力途径为墙-梁-柱（墙）的形式，传力直接，便于分析计算。转换大梁的受力主要受上部剪力墙刚度、剪力墙与转换大梁的相对刚度和转换大梁与下部支撑结构的相对刚度影响。为弄清转换梁结构与上部墙体共同工作的性能，多数文献中已对转换梁承托层数对其内力的影响进行用有限元程序进行了分析，从分析结果中我们知道，对一般结构转换大梁（跨度小于12m），上部墙体考虑3层与考虑4层、5层内力的设计控制内力差异不大于5%，故在分析计算时可只考虑计算3层。从计算分析不论转换大梁上部墙体的形式如何，只要墙体有一定长度，转换大梁中的弯矩就会比不考虑上部墙体作用要小，同时转换大梁也会有一段范围出现受拉区。主要原因：一是由于转换大梁处于结构整体弯曲的受拉区，应力积分后在转换大梁中就会出现轴向拉力，二是由于上部墙体竖向力作用于转换大梁时形成了拱的传力方式，这样竖向力转变成斜向力作用于转换大梁，从而在转换大梁跨中出现拉力，支座出现轴向压力的情况。受力示意图见下图。
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
转换结构可以根据其建筑功能和结构传力的需要,沿高层建筑高度方向一处或多处灵活布置(或是楼层局部布置转换层),且自身的这个空间既可以作为正常使用楼层,也可以作为技术设备层,但应该保证转换层有足够的刚度,以防止沿竖向刚度过于悬殊。当建筑物较高柔(如框架-核心筒结构),整体刚度可能不足,在结构竖向的一定部位设置水平刚性楼层(加强层),人为地加强结构的整体弯曲效应,这时转换层可同建筑物的加强层、设备层等统一考虑。对大底层上部为多塔的建筑,塔楼的转换层宜设置在裙楼的屋面层,并加大屋面梁、板尺寸和厚度,以避免中间出现刚度特别小的楼层,减小震害。对部分框支剪力墙高层建筑结构,其转换层的位置,7度区不宜超过第5层;8度区不宜超过第三层。转换层位置超过上述规
定时,应作专门研究并采取有效措施。沿高层建筑方向转换结构可以是分段布置,形成大框架套小框架的巨型框架结构;也可以是间隔布置,形成错列墙梁或是桁架式框架结构;也可设置于建筑物顶部,悬挂下部结构的荷载。3.2带转换层的高层建筑结构设计原则
高层建筑中转换层的设置造成建筑物竖向刚度的突变，地震作用时在转换层上下容易形成薄弱环节，对结构抗震不利，故转换层结构在设计时应遵循以下原则：
（1）为防止沿竖向刚度变化过于悬殊形成薄弱层，设计中应考虑使上、下层刚度比γ≤2，尽量接近1。这样才能保证结构竖向刚度的变化不至于太大，使上柱有良好的抗侧力性能，减少竖向刚度变化，有利于结构整体受力。
（2）尽可能减少需结构转换的竖向构件，直接落地的竖向构件越多，转换结构越少，转换层造成的刚度突变就越小，对结构抗震更有利。
（3）设计中应保证转换层有足够的刚度，一般应使梁高度不小于跨度的1/6，才能保证内力在转换层及其下部构件中分配合理，转换梁、剪力墙柱有良好的受力性能，能较好的起到结构转换作用。
（4）必须控制框支剪力墙与落地剪力墙的比例，当剪力墙较多且考虑抗震时，横向落地剪力墙数目与横向墙总数之比不宜少于50%，非抗震时不宜少于30%。
（5）转换层以上的剪力墙和柱子应尽量对称布置，梁上立柱应尽量设在转换梁跨中，以免转换梁变形时，在梁上立柱的柱脚处产生较大转角，带动立柱柱脚产生较大变形，引起柱的弯曲及剪切，使立柱产生很大的内力而超筋。
（6）转换层结构在高层建筑竖向的位置宜低不宜高。转换层位置较高时，易使框支剪力墙结构在转换层附近的刚度、内力和传力途径发生突变，并易形成薄弱层，对抗震设计不利，其抗震设计概念与底层框支剪力墙结构有较大差异。当必须采用高位转换时，应控制转换层下部框支结构的等效刚度，即考虑弯曲、剪切和轴向变形的综合刚度，这对于减少转换层附近的层间位移角及内力突变是十分必要的，效果也很显著。另外，对落地剪力墙间距的限制应比底层框支剪力墙结构更严一些。对平面为长矩形的建筑，落地剪力墙的数目应多于全部横向剪力墙数目的一半。
（7）为保证下部大空间整体结构有适宜的刚度、强度、延性和抗震能力，应尽量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，使转换层上下部主体结构的刚度及变形特征尽量接近。常常采用加大转换层下部主体结构竖向构件（主要是核心筒体）截面尺寸、提高其混凝土强度等级、增设剪力墙等方法来强化下部主体结构的刚度。这里有两个问题值得注意，一是筒体截面尺寸增大导致结构地震总反应增大以及筒体在整个下部结构抗侧总刚度中所占的比重变得更大，筒体所承受的地震荷载呈现级数增大的趋势，此时作为抗震第一道防线的筒体的安全设计更应得到充分重视；二是在增设剪力墙来提高抗侧刚度时，要注意整体刚度的均匀分布，保证刚度中心与质量中心尽可能重合，避免由于两者偏心引起的建筑物整体扭转。
（8）带转换层结构计算要求全面、准确。将转换结构作为整体结构的一个重要组成部分，采用符合实际受力变形状态的计算模型进行三维空间整体结构计算分析，可采用有限元方法对转换结构进行局部补充计算。此时，转换结构以上至少要取两层结构进入局部计算模型，并注意模型边界条件符合实际工作状态。整体结构计算需采取两个以上不同力学模型的程序进行抗震计算，还应进行弹性
时程分析计算并宜采用弹塑性时程分析校核。高位转换时还应注意对整体结构进行重力荷载下施工模拟计算。8度抗震设防时，转换构件应考虑其上竖向荷载代表值的10%作为附加竖向地震作用力，此附加竖向地震作用应考虑上下两个方向。
4带转换层高层建筑结构抗震性能
不管采用何种转换形式，带转换层的剪力墙结构仍是目前工程应用的主要结构形式。同时，由于转换层位置越来越高，带转换层的筒体结构也时有应用。对带转换层的剪力墙结构及带转换层筒体结构这两类转换结构，通过转换层上下层间位移角及内力变化情况的分析，可得出影响其抗震性能的主要因素，分别是：转换层设置高度、转换层上部与下部结构等效刚度比、转换层结构与其上层结构侧向刚度比。
对带转换层筒体结构其主要影响因素表现为转换层上部外筒的刚度、转换层设置高度和内筒刚度对转换层位置较高的带转换层的剪力墙结构仅仅控制转换层上、下楼层的侧向刚度比是不够的，还应控制转换层上部与下部结构等效刚度比，转换层上部与下部结构的等效刚度比越大，转换层上下层间位移角及内力突变情况越明显，设计时应当加以控制，使其尽量接近于1，且不大于1.3。带转换层的筒体结构，如转换层上部的外筒为框架，一般情况下不会发生刚度突变，但建立传力途径的变化仍然存在。这类结构的转换层设置高度可适当提高，等效刚度比一般都满足限制条件，但转换层本层侧向刚度与相邻上层侧向刚度之比值，有时会不满足限制条件。对这类结构的关键部位仍须采取加强措施。5高层建筑结构转换层设计时应注意的问题
（1）保证大空间层有足够的刚度，防止沿竖向刚度变化过于悬殊，严格控制转换层上下结构侧向刚度比。抗震设计时，转换层结构侧向刚度不小于其上一层结构侧向刚度的70%。根据《高规》附录E控制转换层上下结构等效侧向刚度比宜大于1.0，不应大于1.3。为此应保证一定比例的剪力墙落地，加大落地剪力墙的厚度，提高落地剪力墙混凝土强度等级，减小洞口尺寸，使纵横墙尽量连接形成筒体。
（2）加强转换层楼板平面内的整体性和刚度，采用现浇混凝土楼板，板厚取为200mm，同时加强转换层下一层楼板平面内刚度，板厚取为150mm；结构布置尽量左右对称，加强薄弱部位楼板的厚度及配筋；在结构整体分析中，考虑薄弱部位楼板平面内变形对结构受力的影响；通过调整剪彩力墙的布置方式，使结构质心和刚心接近，避免扭转；平面尽量布置规则。
（3）控制风荷载和地震作用下结构层间位移角，地震作用要满足规范对地震基底剪力与重力荷载代表值限制；控制结构底部加强区剪力墙及其他部分剪力墙、框支柱及非框支柱轴压比。
（4）适当加强框支剪力墙转换层以下竖向构件的配筋率。按《高规》验算结构抗覆和整体稳定；采用现浇钢筋混凝土楼板，增强结构整体性；核心筒内部楼板厚采用150ram，双层双向配筋；围护材料选用新型轻质材料，有利于减轻建筑自重，减小地震反应。6新型转换层结构6.1搭接柱转换结构
搭接柱转换结构是一种新颖的转换结构体系。6.1.1设计原则
转换柱作为转换构件，混凝土用料较少造价低、自重小，转换层本层建筑空间可充分利用，上下层沿竖向刚度突变较小。以利用搭接柱实现沿建筑立面的外扩为例，搭接柱可将上层柱受力传递到下层柱，。但需注意的是搭接柱上方楼盖承受过分大的拉力，易成为薄弱部位，搭接柱转层上部一两层楼盖仍可能受到影响，承受拉力；转换层下方楼盖主要承受压力。其承载能力相对较高。标准层外筒框架轴力向下传递使搭接柱本身受力复杂，所受压力、剪立、弯矩都较大。6.1.2搭接柱转换结构的工作原理
搭接柱转换结构在重力荷载作用下的安全度和可靠度，主要取决于搭接块相连楼盖梁板的承载能力和轴向刚度的控制。楼盖梁板的承载能力和轴向刚度得到控制和满足，重力荷载作用下，次内力（柱、梁、板、墙的弯矩、剪力）及搭接柱变形就能受到控制，整个搭接柱转换结构就能正常工作。搭接块相连楼盖梁板承载能力和轴向刚度控制是搭接柱转换结构重力荷载作用下正常工作的关键技术。
6.1.3贯通落地筒体-框架结构工作特性
搭接柱转换基本保证了框架柱直接落地整体结构的振动特性及地震作用下的工作状态与贯通落地筒体-框架结构无异。框架柱搭接转换本质是弱化了框架抗侧作用，更进一步强化了核心筒体的抗侧作用。因此核心筒体为整体结构最主要的抗侧力构件，其承载力、延性和截面尺寸应予以保证，当筒体自下而上变化混凝土强度等级、截面尺寸及配时，美籍变化均因延伸至搭接柱区段上一层，且需逐渐变化减弱搭接柱转换引起局部刚度退化应力集中的影响，保证整体机构抗震承载能力不致突变。
6.1.4搭接柱转换结构计算分析
为了了解搭接柱转换结构在总理荷载、地震荷载组合效应下的工作状况，整体杆系、局部有限元分析十分必要，主要的软件可用SATWE、PMSAP等等。6.2其他新型转换结构
6.2.1斜撑转换结构的优越性
重力荷载作用下传力路径明确，以构件受压受拉代替构件受弯受剪来承受重力荷载，受力方式非常合理；斜撑转换的转换层与上下层的刚度比变化幅度很小，因此在水平地震力作用下，可以避免结构层间剪力和构件内力发生突变，有利于结构抗震。
6.2.2宽扁梁转换结构的优越性
宽扁梁转换层有利于降低转换层高度和方便建筑设备使用，与建筑功能的结合较普通转换梁有着巨大的优势，同时，研究分析表明，宽扁梁转换梁用于柱支剪力墙转换、托柱转换在高位、高烈度区抗震性能比普通转换梁有着较大的优势，它有利于减缓高位转换刚度突变带来的转换层框支柱剪力、轴力突变增大及框支柱顶弯矩突变增大引起的应力集中，改善结构的抗震性能。根据高层综合楼建筑功能的需要，选择适宜的结构转换层，不但可以节省材料用量，而且也可以节省建造费用。同时灵活的将建筑与结构统一，实现建筑之美。7结论
（1）在现代高层建筑的转换层结构中，因其应用功能的多样化而使建筑物结构传力体系复杂化，在结构设计时应按规范要求并根据现场条件做好分析计算
和优化设计，尽可能将影响建筑物使用功能的诸多因素考虑进去，以达到科学经济的设计目的。
（2）转换层结构的高层建筑受力复杂，在严格控制层等效剪弯刚度比及层侧向刚度比的前提下，采取有效的结构构造措施，在地震区，采用转换层结构是解决复杂平面及体型转换的一种行之有效的方法。
（3）转换层结构的高层建筑在进行整体计算后，应严格按照规范进行构造设计。
参考文献：
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扩展阅读：简述转换层高层结构设计
简述转换层高层结构设计
摘要：以带转换层结构的实际工程为例,分析了高层建筑带转换层结构设计中应该注意的问题,探讨了结构转换层的方案选择、结构布置、结构分析与构造处理。
关键词：高层建筑结构转换层框支剪力墙梁式转换层1前言
随着我国经济的持续快速发展，高层建筑一般上部需要较多的墙体来分隔空间以满足住宅户型的需要；而下部则希望有较大的自由灵活空间，大柱网、少墙体，以满足公共使用要求。这样的建筑上部楼层部分竖向构件(剪力墙、框架柱)不能直接连续贯通落地时，为了满足建筑要求就必须在上下不同结构体系转换的楼层设置转换层，在结构转换层布置转换结构构件。转换层结构形式有以下几种：梁式转换层、板式转换层、箱式转换层、桁架式转换层、空腹桁架式转换层等。2工程概况
某住宅小区工程，总建筑面积123792m2，本文涉及本工程3号楼主体结构地上10层，建筑面积4500m2，地下1层，-1层为设备用房，1层，2层为商业网点，3层以上为住宅，建筑高度为32.35m，本工程2层转换，采用梁式转换。工程设防烈度为7度，0.10g，场地类别为类，设计地震分组为第一组。框支部分的抗震等级为二级，基本风压值为0．40kn/m2，地面粗糙度为b类。本工程梁板柱混凝土等级为c30，采用pkpm的satwe进行结构整体计算。
3结构布置
带转换层高层建筑结构由于上、下层竖向构件不连续，结构竖向刚度发生变化，转换层上下楼层构件内力、位移容易发生突变，对抗震不利，形成薄弱层、软弱层(《建筑抗震设计规范》第3.4.2条，以下简称《抗规》)。故采用转换层结构设计时应遵循以下原则：
尽可能减少需结构转换的竖向构件，直接落地的竖向构件越多，转换结构越少，转换层造成的刚度突变就越小，对结构抗震更有利。故在本工程中，楼梯间、电梯间等d轴线北侧及南侧横墙剪力墙直接落地，并且墙厚加大为300mm(转换层以上墙厚为200mm)，转换层板厚取180mm，为地下室顶嵌固端，d轴线南侧框支柱的截面尺寸为600x600，因建筑需要增加商业网点，南侧又新增一跨框架，如图1所示。转换梁的跨度为6.9m，截面尺寸取550x1300，计算振型个数为24个。
转换层结构在高层建筑竖向的位置宜低不宜高，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(以下简称《高规》)规定，底部大空间部分框支剪力墙高层建筑结构在地面以上的大空间层数，8度时不宜超过3层，7度时不宜超过5层，6度时其层数可以适当增加，本工程转换层位置位于2层顶，在规范允许范围内。4计算结果4.1刚度比
根据《高规》第5.1.14条规定，经计算,x,y方向本层塔侧移刚度
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