【摘 要】近年来国内外高层建筑发展迅速，现代高层建筑越建越高、越建越大，其建筑向着体型复杂、功能多样的综合性方向发展。在同一座建筑中，沿房屋高度方向的建筑功能要发生变化，上部楼层布置旅馆、住宅；中部楼层作为办公用房；下部楼层作商店、餐馆和文化娱乐设施。这种不同用途的楼层需要大小不同的结构形式。文章介绍高层建筑转换层的概况，对转换层的几种转换方式进行分析比较，探讨转换层结构的发展趋势，提出研究中存在的问题，表明转换层结构推动了高层建筑及其结构体系的发展。
【关键词】高层建筑；转换层结构；转换方式；现状；发展
1 引言
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.常见的转换层结构形式
2.1 梁式转换层
梁式转换层目前应用最为广泛,它设计和施工简单,受力明确,一般用于底部大空间框支剪力墙结构。当需要纵横向同时转换的时候,采用双向梁布置。单向托梁、双向托梁连同上、下层较厚的楼板共同工作,可以形成刚度很大的箱形转换层,这一形式在铁路工程中是常见的结构形式,而在房屋结构则很少。
2.2 厚板转换
当结构上、下柱网轴线错开较多，难以用梁直接承托时，可以做成厚板，形成板式承台转换层，板式转换层的下层柱网可以灵活布置，无须与上层结构对齐。厚板厚度要视柱网尺寸及上部荷载而定，但是这种转换层体系自重很大，材料耗用较多。厚板楼盖虽然外形比较简单，但是由于它很厚，其厚度有时达到 3.0m ，自重很大，差不多等于 20 层一般楼盖的自重，对抗震不利。在地震作用下，这样大的质量必将引起很大的水平地震作用，而且是作用于一个楼层的水平集中力，它会使下面楼层的层间侧移变得较大。此外，由于厚板楼盖的水平刚度和竖向刚度均很大，相比之下，使得上、下楼层因层间抗推刚度显得较小，而变成“相对柔弱层”，从而加剧其上、下楼层的塑性变形集中效应，进一步加大上、下楼层的层间侧移值，以致降低这些楼层的结构抗震可靠度，加重其破坏程度。因此，对于地震区的高楼，转换层要慎用厚板楼盖。万不得已必须采用厚板楼盖时，一定要采取措施提高其上下各楼层的结构构件的变形能力。
2.3 桁架式转换层
桁架式转换构件传力明确,传力途径清楚, 但构造和施工较复杂。 桁架转换层的自重较轻,抗侧力刚度比转换梁要小,也就意味桁架转换层的高层建筑质量和刚度突变比梁式转换的高层建筑缓和,因此地震反应也相对要小。从工程实际情况来看, 转换桁架的钢材和混凝土用量比转换梁要经济。另外转换桁架不仅具备开洞与设置管道的条件, 而且它们的位置与大小都有很大的灵活性,使充分利用该转换层的建筑空间成为可能。
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2.4 箱形转换
箱形转换层上下有两层较厚的楼板,四周和内部的转换大梁互相连接,使其刚度很大,可以为上部竖向结构提供更大的约束,能很好地适用于体型复杂、功能繁多的结构。箱形转换解决了普通梁式转换中的短柱问题,加强了结构的整体性。箱形转换层的平面内刚度介于单层梁板结构和厚板转换层之间,比单层梁板结构大得多, 但较厚板转换层平面内刚度小。箱形结构抗扭刚度较大,对考虑层间抗扭也有显著贡献。带箱形转换层的高层建筑结构可采用三维空间分析程序进行整体结构内力分析,宜将箱形梁离散后参与整体分析。
3 转换层结构的研究现状与发展趋势
我国在转换层结构方面的研究以及实际工程的应用始于20世纪70年代中期, 主要进行了有限元分析研究以及一些实际工程的经验总结。通过这些研究和总结, 对转换梁的受力特征有了较为全面的认识, 获得了可靠的设计依据, 并作为一种特殊的结构体系反映在规范中。从70年代中期到现在近30年的时间里,转换层结构发展迅速, 结构类型也日渐多样化。其中,梁式转换层由于其受力、设计以及施工方面的优势,在工程中的应用广泛。当前高层建筑中的转换构件的发展趋势主要体现在以下几个方面。
3.1钢骨混凝土转换层的应用
由于建筑朝着高层的方向发展，相应转换层结构中转换构件承托的层数也增多，同时，建筑上对层高及空间的种种要求和限制，使得工程应用中钢骨混凝土材料的引入势在必行。钢骨混凝土梁不仅承载力高，刚度好，可大大减小截面尺寸，且塑性、耐久性和抗震性能也
优于钢筋混凝土梁。此外，钢骨混凝土梁在施工阶段其自身刚度好，定位准确，可减少支模，加快施工速度。目前，国内采用钢骨混凝土转换构件的实际工程还不多，北京国际贸易中心国际旅馆，1.8m高的转换梁采用内埋工型钢，形成钢骨混凝土梁，承托上部20 层的荷载。
3.2预应力技术在转换层结构中的应用
采用预应力技术可带来许多结构和施工上的好处, 如减小构件截面尺寸、控制裂缝和挠度, 控制施工阶段的裂缝及减轻支撑负担等。 因此, 预应力混凝土结构非常适合建造承受重荷载、大跨度的转换结构和悬挑构件, 且有自重轻、节省钢材和混凝土的优点。随着我国预应力技术的发展, 预应力材料及施工费用的不断下降, 即使用材料等强度代换的概念从经济上来比较预应力混凝土结构和钢筋混凝土结构, 许多情况下后者并不比前者经济。 因此, 近年来我国高层建筑结构中转换构件、 悬挑构件等采用预应力技术的情况越来越多。
3.3转换梁受力性能的改善
实际设计时，转换梁的截面尺寸通常是由它的抗剪承载力要求来确定的，截面尺寸往往较大，由于梁很强，处理不好有可能使转换梁与框支柱形成的框架出现强梁弱柱的现象，对结构的抗震不利；另一方面，采用转换梁也或多或少会影响该层的使用空间；对外筒的转换，采用转换梁会对该层的通风、采光等不利，若开设洞口，则会产生明显的应力集中现象。因此，寻求新的转换结构形式和改善转换梁受力性能的有效措施有其必要性。
4 结束语
转换层结构是一种新型的结构形式, 它的出现推动了高层建筑及其结构体系形式的发展, 极大地促进了建筑科学的进步。转换层结构形式多样且各具特点, 设计时应结合工程实际情况加以选用, 并应注重转换层结构的概念设计, 合理的结构平面和竖向布置可以从整体上形成良好的抗震体系, 保证建筑物的安全性和经济性。
参考文献：
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论文作者:冯晓斌
论文发表刊物:《低碳地产》2016年9月第17期
论文发表时间:2016/11/9
标签：结构论文; 厚板论文; 刚度论文; 楼层论文; 高层建筑论文; 构件论文; 预应力论文; 《低碳地产》2016年9月第17期论文;