关键词：带结构转换层；高层建筑；结构设计
1、高层建筑中结构转换层的作用
高层建筑中，不同楼层的受力点是不相同的，这样就会对高层建筑的整体安全性能造成严重的影响。在这个过程中，高层建筑的中部和底部的受力比较大，上部的受力比较小，且每一层的受力情况都有一定的差别。因此，建筑工程设计人员设置了结构转换层，以此来提高高层建筑工程的稳定性。一般来说，高层建筑中下部楼层的受力大，上部楼层的受力小，呈现出金字塔形态。在具体设计期间，设计人员会在下部楼层增加梁、柱等结构，从而提高结构刚度；随着楼层高度的增加，设计人员又会减少墙、柱等结构，充分发挥下部支撑结构的功能作用。
2、不同类型转换层设计的概述
2.1梁式转换层结构
该结构形式是目前高层建筑中实现垂直转换最常用的结构形式，由于其传力途径采用墙→转换梁→柱的形式，具有传力直接、明确和清楚的优点，实际工程中转换梁的结构形式有多种多样，设计时，可以根据实际情况进行合理的选择。
2.2桁架式转换结构
桁架分为空腹桁架和实腹桁架2种，它可以是钢桁架，也可以是钢筋混凝土桁架，在钢筋混凝土高层结构中常用钢筋混凝土桁架。“强斜腹杆，强节点”是桁架转换层的基本设计原则。
2.3箱型转换结构
该结构形式即单向托梁、双向托梁如果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。它的优点是转换层本身的整体性很好，能够保证上下竖向构件的有效传力。
2.4厚板厚梁式转换结构
带厚板转换层的高层建筑可采用三维空间分析程序进行整体结构的内力分析。
3、实例分析带结构转换层的高层建筑结构设计
3.1工程概况
某高层建筑有22层，总建筑面积为25840㎡。其中的1~4层为商业用房，1层的层高为5m，2~4层的层高为4m，采用框架简体结构。5~20层均为住宅层，层高为3m，采用的是剪力墙简体结构。21~22层分别是电梯的机房以及屋面水箱，层高为3m。针对这种情况，需要在整栋建筑物中的4~5层之间设置一个结构转换层，设防烈度为7度，场地为Ⅲ类，基本风压为0.65kN/m2。结构抗震等级方面，框支柱、框支框架、底部加强区剪力墙均取一级，非底部加强区剪力墙取二级。其楼层结构平面设置的情况如图1①所示。
3.2楼层转换方案
由于这些转换层能够形成一个较大的空间，进而完成结构类型以及轴线的转变。其中的梁式转换层对相关的受力结构比较明确，从而在设计及施工过程中的操作比较便捷，应用的范围较为广泛。因此，该工程平面形状较为规则，其中高宽比为5.1，长宽比为1.4，转换层设在4~5层之间，转换层以上楼层既无外挑，也无收进，结构平面与竖向布置均符合《高规》要求。转换层方案采用成熟可靠的梁式转换。，其转换层的高度为2.5m，转换梁上、下两端与楼板相连，上层楼板厚度为20㎝，下层楼板的厚度为300㎝。转换梁承托上部的剪力墙，且所使用的混凝土强度为C40。
3.3整体结构分析
在高层建筑梁式转换层中所使用的转化梁本身是杆件，能够直接地按照梁单元进行相关的分析与设计，同时，梁的轴线位于转换层的上层楼板处，在整体结构中需要通过对上下层的刚度进行比较来确定适当的力度，防止竖向刚度的变化而形成薄弱层。据此，转换层的下层柱子截面尺寸可以设置为110×110㎝，剪力墙的厚度为50㎝，混凝土的强度等级为C45。同时，转换层上层的剪力墙的厚度为35㎝，混凝土的强度等级为C45。
3.4转换梁设计
转换梁的跨度大约在9m左右，截面的高度为2.5m。但是由于我国在混凝土设计规范中没有明确地给出承载力计算的方法，进而对此进行了两种连续短梁的试验研究。
3.4.1试验结果
本试验中所采用的转换梁为转换梁1/5的缩尺模型，其截面尺寸及配筋的形式如图1中②所示。
图1
通过相关试验可知：该转换梁的正截面平均应变符合平截面的建设。斜裂缝在加载点与中支座的内剪跨区的梁腹中部出现，属于剪斜裂缝，并通过长时间的发展成为临界斜裂缝。底部的纵筋和顶部的纵筋会顺着梁的方向来分散相应的应力，因而在斜裂缝出现之前，需要与弯矩图保持一致性，而在斜裂缝出现之后则与弯矩图产生明显的差距，由此就说明了转换梁内的应力发生了较大程度的变化。此外，在转化梁的底部纵筋处于受拉状态中，顶部纵筋的内剪跨内也随之处于一种受拉状态。当试验受到破坏时，内剪跨区段之内，临界斜裂缝的箍筋会受到一定的拉力，剪压区内的混凝土压缩。当穿越斜裂缝的箍筋应力变化为原来的应力的53%时，剪压区内的混凝土中就没有压缩现象。
3.4.2相关构造要求
为了保证梁式转换层中的转换梁在斜裂缝出现后能够起到纵筋拉杆的效果，其底部纵筋不能够在跨内形成弯折或者是截断的现象，需要将整个纵筋全部地伸入到支座中，并使用相关的可靠锚进行固定。同时，转换层的顶部纵筋在跨中不能够较早地被折断，最好进行通长布置。由于转换梁的横截面尺寸较大，因此需要依据梁高来配置一定数量的水平腹筋。由此，就能够承受到一定的受剪承载力，进而对整个裂缝的发展情况有一个抑制的作用，能够有效地减少相关温度以及混凝土收缩对整个工程的影响力。
3.5转换层抗震设计
在进行转换层结构设计的时候，由于有转换层的存在，致使高层建筑物在高度方向上的刚度均匀性会受到较大的影响，进而造成构件的承载力与墙、柱截面产生突变，线路发生曲折的现象等等，因此，转换结构需要较大的抗震性能。基于此，需要在该建筑物3层及以上的部分都设置部分框支剪力墙结构的转换层。同时，相关构架的抗震等级还需要依照国家相关的标准进行。此外，还需要配备相关构件抗震性能的构造措施，以此来有效地提升建筑物的抗震等级，增加高层建筑物转换层的抗震效果。
结束语
转换层结构设计是结构设计的一个难点，更是不同形式结构体系转换的关键点，设计时应不断研究和进行方案比较，合理建立分析计算模型，正确运用设计软件，透彻理解规范条文的含义和背景，在现有水平的基础上设计出安全可靠经济适用的结构。
参考文献
[1]梁俊颖.建筑结构转换层设计的原则及方法分析[J].山西建筑.2014.
[2]周亮.浅论结构转换层的应用及施工[J].黑龙江科技信息.2013.
论文作者:黄景新
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第11期
论文发表时间:2018/9/7
标签：结构论文; 桁架论文; 高层建筑论文; 裂缝论文; 截面论文; 楼层论文; 刚度论文; 《建筑学研究前沿》2018年第11期论文;