高層建筑中轉換層結構的現狀和發展

馮義波 李琦

淄博市規劃設計研究院 255000

摘要：文章介紹高層建筑轉換層的概況，對轉換層的幾種轉換方式進行分析比較，探討轉換層結構的發展趨勢，提出研究中存在的問題，表明轉換層結構推動了高層建筑及其結構體系的發展。

關鍵詞：高層建筑；轉換層結構；轉換方式

一、概述

近年來國內外高層建筑發展迅速，現代高層建筑越建越高、越建越大，其建筑向著體型復雜、功能多樣的綜合性方向發展。在同一座建筑中，沿房屋高度方向的建筑功能要發生變化，上部樓層布置旅館、住宅；中部樓層作為辦公用房；下部樓層作商店、餐館和文化娛樂設施。這種不同用途的樓層需要大小不同的結構形式。

從建筑功能上看，上部需要小開間的軸線布置和需要較多的墻體以滿足旅館和住宅的功能要求；中部則需要小的或中等大小的室內空間，可以在柱網中布置一定數量的墻體以滿足辦公用房的功能要求；下部需要盡可能大的自由靈活的室內空間，要求柱網大、墻體盡量少，以滿足商店、餐館等公用設施的功能要求。

從結構受力上看，由于高層建筑結構下部樓層受力很大，上部樓層受力較小，正常的結構布置應是下部剛度大，墻體多、柱網密，到上部漸漸減少墻、柱的數量，以擴大柱網。這樣，結構的正常布置與建筑功能對空間的要求正好相反。因此，為滿足建筑功能的要求，結構必須進行“反常規設計”，即將上部布置小空間，下部布置大空間；上部布置剛度大的剪力墻，下部布置剛度小的框架柱。為了實現這種結構布置，就必須在結構轉換的樓層設置水平轉換構件，即轉換層結構。

二、轉換層的主要轉換方式

轉換層樓蓋依其受力狀態的不同可以分為梁式樓蓋轉換、箱形樓蓋轉換、桁架轉換、厚板轉換和斜柱轉換。

梁式樓蓋：在現澆鋼筋混凝土樓板上布置單向托梁（縱向或橫向）或雙向托梁（縱、橫向）或斜向托梁，以承托在本層落空的上面各層的承重柱或剪力墻。該種轉換形式一般用于底部大空間剪力墻結構，當需要縱橫向同時轉換時，采用雙向梁的布置。對于框筒或筒中筒結構，由于外框筒的柱一般較密，在底部一、二層的出入口處往往不能滿足使用要求，有時要求把外筒在局部減少，因而形成上層有柱、下層無柱的情況，有時出入口不止一處，對此情況可以在相應樓層下做一圈轉換大梁，把上部柱的荷載通過轉換大梁傳到下層兩邊的柱上去。

箱形樓蓋：以上、下兩層樓板作為構件的上下翼緣，并在其間設置若干片單向或雙向腹板（豎隔板）后，所形成的箱形水平抗彎構件。轉換層箱形樓蓋的適用范圍與梁式樓蓋大致相同，即可用于上下層的構件類型轉換，柱網尺寸的擴大以及構件軸線單向錯位等。但是箱形樓蓋具有比梁式樓蓋大得多的承載能力，因此箱形樓蓋特別適用于大跨度以及承托大荷載的柱和墻。

桁架轉換：對于下部是商場、娛樂設施而上部是住宅、客房等情況的建筑，一般在客房或住宅與商場之間設有一個管道設備層，可以利用設備層的空間根據上、下柱網軸線的位置設置桁架。桁架上部的柱或墻的荷載通過桁架傳到下部較大間距的柱或墻上，而設備管道又可以在桁架的腹內穿行。

厚板轉換：當結構上、下柱網軸線錯開較多，難以用梁直接承托時，可以做成厚板，形成板式承臺轉換層，板式轉換層的下層柱網可以靈活布置，無須與上層結構對齊。厚板厚度要視柱網尺寸及上部荷載而定，但是這種轉換層體系自重很大，材料耗用較多。厚板樓蓋雖然外形比較簡單，但是由于它很厚，其厚度有時達到3.0m，自重很大，差不多等于20層一般樓蓋的自重，對抗震不利。在地震作用下，這樣大的質量必將引起很大的水平地震作用，而且是作用于一個樓層的水平集中力，它會使下面樓層的層間側移變得較大。此外，由于厚板樓益的水平剛度和豎向剛度均很大，相比之下，使得上、下樓層因層間抗推剛度顯得較小，而變成“相對柔弱層”。從而加劇其上、下樓層的塑性變形集中效應，進一步加大上、下樓層的層間側移值，以致降低這些樓層的結構抗震可靠度，加重其破壞程度。因此，對于地震區的高樓，轉換層要慎用厚板樓蓋。萬不得已必須采用厚板樓蓋時，一定要采取措施提高其上下各樓層的結構構件的變形能力。

斜柱轉換：斜柱轉換是一種可在大量超高層、高層建筑中推廣采用的轉換結構形式。它是桁架轉換中最簡單的一種，采用它將會改變轉換層不便使用的概念，將目前巨型梁轉換僅能供作管道層改為可進行營運的有效使用面積，變“死”空間為活空間，使轉換層具有了更大的經濟價值。

三、轉換層結構的發展趨勢

上世紀70年代中期，國內開始嘗試使用底層大開間剪力墻結構（即梁式轉換層），轉換層結構的工程應用發展迅猛，工程實際中轉換層結構的應用正朝著形式多樣、方法多樣以及結構受力更有利的方向發展。主要體現在以下幾個方面：

（一）鋼骨混凝土轉換層的應用

由于建筑朝著高層和超高層形式發展，相應轉換層結構中轉換構件承托的層數也增多；同時，又由于建筑功能對層高及空間的種種要求和限制，這使得工程應用中鋼骨混凝土材料的引入勢在必行。鋼骨混凝土梁不僅承載力高、剛度好，可大大減小截面尺寸，且塑性、耐久性、抗震性能也優于鋼筋混凝土梁。

此外，鋼骨混凝土梁在施工階段其自身剛度好，定位準確，可減少支模，加快施工進度。目前，國內采用鋼骨混凝土轉換構件的實際工程還不多，但國外采用則較多。

（二）預應力轉換層的應用

采用預應力技術可帶來許多結構和施工上的優點，如減小截面尺寸、控制裂縫和撓度、控制施工階段的裂縫及減輕支撐負擔，等等。因此，預應力混凝土結構非常適合于建造承重荷載的大跨度轉換層，且自重輕，節省鋼材和混凝土。隨著我國預應力技術的發展，預應力材料及施工費用不斷下降，即使用材料等強代換的概念從經濟上來比較預應力混凝土結構和鋼筋混凝土結構，許多情況下后者并不比前者經濟。

（三）轉換梁受力性能的改善

實際設計時，轉換梁的截面尺寸通常是由它的抗剪承載力要求來確定的，截面尺寸往往較大，由于梁很強，處理不好有可能使轉換梁與框支柱形成的框架出現強梁弱柱的現象，對結構的抗震不利；另一方面，采用轉換梁也或多或少會影響該層的使用空間；對外筒的轉換，采用轉換梁會對該層的通風、采光等不利，若開設洞口，則會產生明顯的應力集中現象。因此，尋求新的轉換結構形式和改善轉換梁受力性能的有效措施有其必要性。

四、轉換層結構研究的幾個問題

（一）帶轉換層高層建筑結構抗震性能和抗震設計方法的研究

高層建筑中，由于設置了轉換層，建筑物高度方向剛度的均勻性受到了很大的破壞，轉換層結構豎向承力構件不連續和墻、柱截面的突變，導致了傳力路線曲折、變形集中和應力集中，因此轉換結構的抗震性能較差。目前有關轉換層結構動力特性和抗震性能的研究還不多，現行規范中也沒有給出明確的條款，如何準確建立高層建筑轉換層結構地震作用的計算模式有待進一步研究。

（二）轉換層上、下層結構側向剛度比的描述方法和合理剛度比的研究

目前轉換層上、下結構側向剛度比是按樓層剪切剛度比來控制的，但存在著考慮豎向構件的布置位置不同，對層剛度的貢獻是不同的，而樓層剪切剛度比并沒考慮豎向構件的布置問題；同時還存在特殊結構布置情況下剪切面積取值不明確等問題。因此，采用何種剛度指標來描述轉換層上、下層結構側向剛度比的變化以及取值范圍等有待研究。

（三）轉換層樓板平面的內力和變形問題

目前，實際工程設計中采用的高層建筑結構計算分析程序均采用了樓板在自身平面內剛度為無窮大的假定，這一假定使得位于樓板平面的桿件無法直接計算其軸向變形和桿件的軸向內力。但試驗表明，轉換層結構不計算位于樓板平面內的變形是不安全的。因此，轉換層樓板平面的內力和變形問題有待進一步研究。

五、結語

轉換層結構是一種新型的結構形式，它的出現推動了高層建筑及其結構體系形式的發展。極大地促進了建筑科學的進步。轉換層結構形式多樣且各具特點，設計時應結合工程實際情況加以選用，并應注重轉換層結構的概念設計。合理的結構平面和豎向布置可以從整體上形成良好的抗震體系，保證建筑物的安全性和經濟性。