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摘要：随着高层建筑功能多样化的发展，带转换层的高层建筑成为高层建筑的一大趋势。本文介绍了带转换层高层建筑的实际工程以及梁式转换层高层建筑设计方法，为高层建筑设计者提出了转换层高层建筑设计的建议；结合工程实例，对转换层高层的剪力墙和转换梁进行了建议性的设计，为高层建筑设计提供了借鉴。
关键词：转换层；高层建筑；结构设计；抗震设计
中图分类号：TU97文献标识码： A 文章编号：
引言
在高层建筑结构的底部, 当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, 应设置结构转换层, 在结构转换层布置转换结构构件, 这类结构称为带转换层的高层建筑结构。近些年来由于这种结构底部大空间, 使用灵活方便, 在国内得到广泛应用。
带转换层的高层结构设计
1. 转换层布置原则
为了减少楼层竖向刚度变化过大给建筑带来的影响，就必须在刚度变化位置设计水平转换构件。例如：对于商住建筑，为了防止竖向刚度过于悬殊，转换层宜布置在裙房的屋面层，且，加大屋面梁板的尺寸，减少地震带来的影响。转换层竖向布置应避免高位转换，7度区不能超过5层，8度去不能超过三层。其布置形式沿高度方向可以是分段布置，形成大框架套小框架可以是间隔布置。当需要设计加强层时，加强层与转换层可以一起考虑。为了控制抗震性能，转换层的侧向刚度比不应大于2。
2. 转换层的设计
以梁式转换层为例，叙述转换梁的设计步骤：1）转换梁的受弯承载力计算按照普通梁利用高层建筑分析程序进行计算。2）使用有限元分析得到的转换梁的界面内力，进行正截面和斜截面承载力计算。
3.结构布置
带转换层高层建筑结构的布置, 主要考虑两个关键的问题:
1) 保证底部大空间有充分的刚度, 防止沿竖向刚度过于悬殊。
2) 加强转换层的刚度与承载力, 保证转换层可以将上层剪力可靠地传递到落地剪力墙。不讨论转换层的刚度与承载力问题, 着重分析底部大空间的刚度及刚度的过渡问题。底部大空间有两种结构形式构成: 框支剪力墙的框支部分和落地剪力墙。框支剪力墙的框支部分主要缺点是侧向刚度小; 落地剪力墙的优点是侧向刚度大, 且上下刚度变化均匀。落地剪力墙通过转换层的转换, 承担框支剪力墙部分传来的剪力。所有控制这两种结构形式的比例和布置来实现结构侧向刚度的平稳过渡是带转换层结构的关键。
《高层建筑混凝土结构技术规程》 要求: 结构的侧向刚度宜下大上小, 逐渐均匀变化, 不采用竖向严重不规则的结构。抗震设计的高层建筑结构, 其楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的70%( 即C[ 1. 428) 和其上相邻3 层侧向刚度平均值的80%。转换层设在3 层及3 层以上时, 其楼层侧向刚度尚不应小于相邻上部楼层侧向刚度的60%( 即C[ 1. 667) 。
为此, 对于落地剪力墙应当采取以下措施:
1) 与建筑协商, 争取使尽可能多的剪力墙落地。
2) 加大落地剪力墙的厚度, 尽量增大落地剪力墙的截面面积。
3) 提高底部大空间层的混凝土强度等级。
4) 落地剪力墙尽量不开洞, 开小洞, 以免削弱刚度。如果开洞, 宜设在墙体中部。框支梁上一层的墙体应力复杂, 不宜设置边门洞, 不得在中柱上方设门洞。
5) 落地剪力墙的间距。
非抗震: L [ 3B , 且L [ 36 m;
抗震: 底部为1 层~ 2 层框支层时: L [ 2B 且L [ 24 m;
底部为3 层及3 层以上框支层时: L [ 1. 5B 且L [ 20 m。
落地剪力墙与相邻框支柱的距离, 1 层~ 2 层框支层时不宜
大于12 m, 3 层及3 层以上框支层时不宜大于10 m。
计算结果分析
PKPM 计算, wmass. out 输出文件中的相邻层侧移刚度比计算信息中, 可以查看各层刚度比的情况, 本工程是多塔, 在计算转换层与其上一层刚度比时, 应将上部各个塔楼的刚度总和再与转换层的刚度进行比较。每次都要将各个塔楼的刚度加起来, 较为繁琐。工程采用了Ex cel 电子表格, 做了简单的计算统计, 统计了转换层X , Y 方向的刚度及转换层上一层各塔楼X 方向的刚度和与Y 方向的刚度和, 再列出下式进行比较。
4. 转换层结构设计建议
国内外学者对带转换层高层建筑的受力性能、抗震性能等做了大量的研究，给设计人员提供了有效的设计依据，具有很大的参考价值。据大量试验统计建议：1）转换梁高的增加，会增大转换层处的地震反应力，但是，地震力对其他它楼层影响变化相对较小，双向地震力作用下基底剪力值增大，倾覆弯矩值减小，所以设计人员应选取适宜的梁高值，并不是梁高越大设计就越好。2）双向地震力作用下，随着转换梁梁高的增加，层间位移值不断减小，楼随着楼层号的增加，其楼层的位移值减小值越明显。3）随着梁高的增加，结构的抗扭性减小，扭转增加幅度最大的是靠近转换层的几层，而且随着楼层远离转换层，楼层受扭转影响增加的幅度越来越小。4）随着转换层设置高度的增加，增大结构的扭转周期出现的概率，扭转效应增加，对结构的抗扭有害。5）随着转换层设置高度的增加，楼层刚度变大，楼层的层位移值减小，层位移角基本呈减小的趋势。6）刚度比对带转换层的框支剪力墙结构的低阶振型周期，特别是第一周期的影响相对较大，而对结构在水平地震作用下的位移特征和变形特性基本没有影响。通过不同的方式改变结构刚度比，对于结构的抗震性能的影响也不相同。通过加大底部框支层支承构件的截面，能明显减小结构的刚度比。
5.展望
1）高层建筑的转换层常用的有集中形式，每种都有各自的优势，设计人员可以根据不同的需要对其进行设计。其中梁式转换层施工简单，计算比较简单。
2）带转换层高层结构由于功能的多变，结构刚度的变化，在转换层容易形成应力集中和变形集中。再加上转换层跨度很大，在承受上部传下来的荷载时，会出现很大的扰度，对抗震不利。
3）转换层的设计会影响整个高层结构的抗震性能，希望有更加深入的研究，给设计人员提供可靠的设计依据。
结束语：
1) 控制侧向刚度比, 保证底部大空间有充分的刚度, 防止沿竖向刚度过于悬殊, 是带转换层高层建筑结构设计主要考虑的问题之一。通过对墙厚, 墙的位置, 落地剪力墙的数量, 竖向构件混凝土标号, 转换层之上墙体的调整, 使得沿竖向侧向刚度均匀变化。2) 设计中还可利用一些软件工具为设计节约时间, 精确结果以及统计等。
参考文献：
[1] 徐培福. 复杂高层建筑结构设计[ M] . 北京: 中国建筑工业出版社, 2005: 205- 213.
[2] 包世華. 新编高层建筑结构[ M] . 第2 版. 北京: 中国水利水电出版社, 2005: 284- 287.
[3] JGJ 3- 2010,高层建筑混凝土结构技术规程[s].
[4] 赵西安. 现代高层建筑结构设计上册[M ] . 北京: 科学出版社, 2000: 958- 963.
[5] 白 洁. 浅谈高层建筑结构的转换层[ J] . 山西建筑, 2007,33( 15) : 70- 71.
[6] 罗迪，罗兆辉．高层建筑结构设计中的几个问题分析[J].天津城市建设学院学报，1999，(3)：60--64
[7] 吴晓莉.高层建筑混凝土梁式转换层的试验研究[D].南京：东南大学硕士学位论文，2000
[8] 唐兴荣，蒋永生，丁大钧．预应力混凝土桁架转换层结构的实验研究与设计建议[J].土木工程学报，200l(4)：32-40
关键词：转换层；高层建筑；结构设计；抗震设计
中图分类号：TU97文献标识码： A 文章编号：
引言
在高层建筑结构的底部, 当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, 应设置结构转换层, 在结构转换层布置转换结构构件, 这类结构称为带转换层的高层建筑结构。近些年来由于这种结构底部大空间, 使用灵活方便, 在国内得到广泛应用。
带转换层的高层结构设计
1. 转换层布置原则
为了减少楼层竖向刚度变化过大给建筑带来的影响，就必须在刚度变化位置设计水平转换构件。例如：对于商住建筑，为了防止竖向刚度过于悬殊，转换层宜布置在裙房的屋面层，且，加大屋面梁板的尺寸，减少地震带来的影响。转换层竖向布置应避免高位转换，7度区不能超过5层，8度去不能超过三层。其布置形式沿高度方向可以是分段布置，形成大框架套小框架可以是间隔布置。当需要设计加强层时，加强层与转换层可以一起考虑。为了控制抗震性能，转换层的侧向刚度比不应大于2。
2. 转换层的设计
以梁式转换层为例，叙述转换梁的设计步骤：1）转换梁的受弯承载力计算按照普通梁利用高层建筑分析程序进行计算。2）使用有限元分析得到的转换梁的界面内力，进行正截面和斜截面承载力计算。
3.结构布置
带转换层高层建筑结构的布置, 主要考虑两个关键的问题:
1) 保证底部大空间有充分的刚度, 防止沿竖向刚度过于悬殊。
2) 加强转换层的刚度与承载力, 保证转换层可以将上层剪力可靠地传递到落地剪力墙。不讨论转换层的刚度与承载力问题, 着重分析底部大空间的刚度及刚度的过渡问题。底部大空间有两种结构形式构成: 框支剪力墙的框支部分和落地剪力墙。框支剪力墙的框支部分主要缺点是侧向刚度小; 落地剪力墙的优点是侧向刚度大, 且上下刚度变化均匀。落地剪力墙通过转换层的转换, 承担框支剪力墙部分传来的剪力。所有控制这两种结构形式的比例和布置来实现结构侧向刚度的平稳过渡是带转换层结构的关键。
《高层建筑混凝土结构技术规程》 要求: 结构的侧向刚度宜下大上小, 逐渐均匀变化, 不采用竖向严重不规则的结构。抗震设计的高层建筑结构, 其楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的70%( 即C[ 1. 428) 和其上相邻3 层侧向刚度平均值的80%。转换层设在3 层及3 层以上时, 其楼层侧向刚度尚不应小于相邻上部楼层侧向刚度的60%( 即C[ 1. 667) 。
为此, 对于落地剪力墙应当采取以下措施:
1) 与建筑协商, 争取使尽可能多的剪力墙落地。
2) 加大落地剪力墙的厚度, 尽量增大落地剪力墙的截面面积。
3) 提高底部大空间层的混凝土强度等级。
4) 落地剪力墙尽量不开洞, 开小洞, 以免削弱刚度。如果开洞, 宜设在墙体中部。框支梁上一层的墙体应力复杂, 不宜设置边门洞, 不得在中柱上方设门洞。
5) 落地剪力墙的间距。
非抗震: L [ 3B , 且L [ 36 m;
抗震: 底部为1 层~ 2 层框支层时: L [ 2B 且L [ 24 m;
底部为3 层及3 层以上框支层时: L [ 1. 5B 且L [ 20 m。
落地剪力墙与相邻框支柱的距离, 1 层~ 2 层框支层时不宜
大于12 m, 3 层及3 层以上框支层时不宜大于10 m。
计算结果分析
PKPM 计算, wmass. out 输出文件中的相邻层侧移刚度比计算信息中, 可以查看各层刚度比的情况, 本工程是多塔, 在计算转换层与其上一层刚度比时, 应将上部各个塔楼的刚度总和再与转换层的刚度进行比较。每次都要将各个塔楼的刚度加起来, 较为繁琐。工程采用了Ex cel 电子表格, 做了简单的计算统计, 统计了转换层X , Y 方向的刚度及转换层上一层各塔楼X 方向的刚度和与Y 方向的刚度和, 再列出下式进行比较。
4. 转换层结构设计建议
国内外学者对带转换层高层建筑的受力性能、抗震性能等做了大量的研究，给设计人员提供了有效的设计依据，具有很大的参考价值。据大量试验统计建议：1）转换梁高的增加，会增大转换层处的地震反应力，但是，地震力对其他它楼层影响变化相对较小，双向地震力作用下基底剪力值增大，倾覆弯矩值减小，所以设计人员应选取适宜的梁高值，并不是梁高越大设计就越好。2）双向地震力作用下，随着转换梁梁高的增加，层间位移值不断减小，楼随着楼层号的增加，其楼层的位移值减小值越明显。3）随着梁高的增加，结构的抗扭性减小，扭转增加幅度最大的是靠近转换层的几层，而且随着楼层远离转换层，楼层受扭转影响增加的幅度越来越小。4）随着转换层设置高度的增加，增大结构的扭转周期出现的概率，扭转效应增加，对结构的抗扭有害。5）随着转换层设置高度的增加，楼层刚度变大，楼层的层位移值减小，层位移角基本呈减小的趋势。6）刚度比对带转换层的框支剪力墙结构的低阶振型周期，特别是第一周期的影响相对较大，而对结构在水平地震作用下的位移特征和变形特性基本没有影响。通过不同的方式改变结构刚度比，对于结构的抗震性能的影响也不相同。通过加大底部框支层支承构件的截面，能明显减小结构的刚度比。
5.展望
1）高层建筑的转换层常用的有集中形式，每种都有各自的优势，设计人员可以根据不同的需要对其进行设计。其中梁式转换层施工简单，计算比较简单。
2）带转换层高层结构由于功能的多变，结构刚度的变化，在转换层容易形成应力集中和变形集中。再加上转换层跨度很大，在承受上部传下来的荷载时，会出现很大的扰度，对抗震不利。
3）转换层的设计会影响整个高层结构的抗震性能，希望有更加深入的研究，给设计人员提供可靠的设计依据。
结束语：
1) 控制侧向刚度比, 保证底部大空间有充分的刚度, 防止沿竖向刚度过于悬殊, 是带转换层高层建筑结构设计主要考虑的问题之一。通过对墙厚, 墙的位置, 落地剪力墙的数量, 竖向构件混凝土标号, 转换层之上墙体的调整, 使得沿竖向侧向刚度均匀变化。2) 设计中还可利用一些软件工具为设计节约时间, 精确结果以及统计等。
参考文献：
[1] 徐培福. 复杂高层建筑结构设计[ M] . 北京: 中国建筑工业出版社, 2005: 205- 213.
[2] 包世華. 新编高层建筑结构[ M] . 第2 版. 北京: 中国水利水电出版社, 2005: 284- 287.
[3] JGJ 3- 2010,高层建筑混凝土结构技术规程[s].
[4] 赵西安. 现代高层建筑结构设计上册[M ] . 北京: 科学出版社, 2000: 958- 963.
[5] 白 洁. 浅谈高层建筑结构的转换层[ J] . 山西建筑, 2007,33( 15) : 70- 71.
[6] 罗迪，罗兆辉．高层建筑结构设计中的几个问题分析[J].天津城市建设学院学报，1999，(3)：60--64
[7] 吴晓莉.高层建筑混凝土梁式转换层的试验研究[D].南京：东南大学硕士学位论文，2000
[8] 唐兴荣，蒋永生，丁大钧．预应力混凝土桁架转换层结构的实验研究与设计建议[J].土木工程学报，200l(4)：32-40