高层转换层总结_高层建筑转换层
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高层建筑结构转换层总结
1.概述
1.1背景
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，其建筑向着体形复杂、功能多样的综合性方向发展，目的在于为人们提供良好的生活环境和工作条件。在同一座建筑中，沿房屋高度方向建筑功能发生变化，上部楼层布置旅馆、住宅；中部楼层用作办公的写字楼；下部楼层用作购物、餐饮和文化娱乐等商铺，这种不同用途的楼层往往需要采用不同的结构。
从建筑功能上看，上部需要小开间的轴线布置并需要更多的墙体以满足旅馆和住宅的功能要求；中部则需要小的或中等大小的室内空间，可以再柱网中布置一定数量的墙体以满足办公用房的室内空间，可以在柱网中布置一定数量的墙体以满足办公用放的功能要求；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，以满足商铺、餐馆等公共设施的功能要求。
1.2定义
建筑物某楼层的上部与下部因平面使用功能不同，该楼层上部与下部采用不同结构（设备）类型，并通过该楼层进行结构（设备）转换，则该楼层称为结构（设备）转换层。目前的高层建筑多为低层商用，上部住宿的多功能要求，在低层商用要求的大空间与上部住宿要求的多墙多柱的小空间之间，往往需要采用一定的结构形式进行转换处理，即加设转换层。
1.3功能分类
①上、下层结构类型转换：转换层将上部剪力墙转换为下部的框架。这种转换层多用于剪力墙和框架-剪力墙结构中，以获得较大的内部自由空间。
②上、下层结构柱网和轴线的改变：转换层上、下的结构形式未改变，通过转换层能使下部结构的柱距扩大，形成大柱网。这种形式常用于外框筒的下层以形成较大的出入口。
③同时转换上、下成结构类型和柱网：上部剪力墙结构通过转换层改变为框支剪力墙结构的同时，下部柱网与上部剪力墙的轴线错开，形成上、下柱网不对齐的布置。
2.转换层结构形式
2.1梁式转换层
实腹梁转换是目前最常用的一种结构形式。实腹梁转换传力途径明确、受力性能好、构造简单、施工方便，广泛应用于底部为商店、餐厅、会议室、车库、机房，上部为住宅、公寓、饭店、综合楼等建筑。
框支转换可采用实腹梁，此时实腹梁和其上部的剪力墙成为一体，共同承受上部竖向荷载，墙体类似于拉杆拱的受力状态，而实腹梁就是拱的拉杆，处于偏心受拉状态。托柱转换也可采用实腹梁，此时实腹梁承受所托上柱传来的巨大集中荷载，为受弯受剪构件。当实腹梁上部的剪力墙体上开有大洞，使得竖向荷载下实腹梁上托的不是框架柱而是剪力墙肢。
实腹梁转换的缺点是转换构件截面尺寸大、自重大，多少会影响该层的建筑使用空间，同时易引起转换层上、下层刚度突变，对结构抗震不利。实腹梁一般适用于上、下层竖向构件在同一竖向平面内的转换。
当上部剪力墙不是单片墙，而是带有短小翼缘的剪力墙时，可以将实腹梁做宽，使小翼缘全部落在扁梁梁宽范围内，成为宽扁梁转换形式。避免采用主次框支梁转换，效果较好。宽扁梁有利于减小结构高度所占空间，减少楼板跨度，有利于实现强柱弱梁、强剪弱弯，具有明显的综合技术经济效益。分析研究表明，采用宽扁梁的框支剪力墙转换、托柱转换在高位、高烈度区抗震性能比普通实腹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。
2.2桁架转换层
桁架转换有两种形式：腹杆仅有竖杆的称为空腹杆桁架，腹杆有斜杆的称为斜腹杆桁架。转换桁架的高度一般为建筑物的一个层高，桁架上弦在上一层楼板平面内，下弦则在下一层楼板平面内。和实腹梁相比，桁架转换传力明确、途径清楚，桁架转换上、下层质量分布相对较均匀，刚度突变程度也较小，地震反应要比实腹梁小得多。不但可以大大减轻自重，而且可以利用腹杆间的空间布置机电管线，有效利用了建筑空间。
但桁架转换的杆件节点构造复杂，且杆件基本上都是轴心受力构件或小偏心受力构件，延性较差，同时施工较复杂。若为桁架托柱，则对柱子的平面位置有一定的要求，不能像实腹梁托柱那样，上托柱在竖向平面内可任意放置。和实腹梁转换一样，桁架转换也仅适用于上、下层竖向构件在同一竖向平面内的转换。
2.3箱型转换层
箱形转换结构是利用楼层实腹边肋梁、中间肋梁和上、下层楼板，形成刚度很大的箱形空间结构。一般情况下，肋梁可双向布置，中间肋梁腹板往往开有洞口以满足建筑和机电等专业的功能要求。
箱形转换结构具有以下优点：
(1)箱形转换结构刚度大，整体性好，受力明确，能更好更可靠地传递竖向和水平荷载，使各转换构件和竖向构件受力较均匀。受力性能优于一般实腹梁转换结构。
(2)箱形转换结构的面内刚度较实腹梁转换层要大得多，而自重相差不大；但却比厚板转换层要小得多，节省材料，减小地震作用，降低造价。
(3)可以满足上、下层结构体系或柱网轴线变化的转换要求，也可以满足上、下层结构体系和柱网轴线同时变化的转换要求。当需要纵、横两个方向同时进行结构转换时，可以采用双向肋梁布置。避免采用框支主次梁的转换方案。
(4)箱形转换结构的空腔部分可以兼做设备层，肋梁可根据建筑功能要求开设洞口，充分利用建筑空间，提高了经济效益。
箱形转换结构的缺点是箱形转换上、下层刚度突变较严重，不宜用在楼层较高的部位。因此，设计转换层的时候，应引起设计者的足够重视，确保转换结构部位的强度与安全。此外，箱形转换结构的施工也较麻烦。
2.4厚板转换层 当转换层的上、下层剪力墙或柱子错位范围较大，结构上、下层柱网很多处对不齐时，采用搭接式或实腹式梁转换已不可能，这时可在上、下柱错位楼层设置厚板，通过厚板来完成结构在竖向荷载和水平荷载下力的传递，实现结构转换，这就是厚板转换。
厚板转换适用于上、下层结构体系和柱网同时变化，且上、下层柱子错位范围大、柱网多处对不齐的情况。满足现代对建筑使用功能多元化的要求。但这种结构形式属于典型的刚度和质量沿高度不均匀的结构，转换厚板处结构传力不清且受力非常复杂，结构计算相当困难。
从受力角度考虑，往往需要在柱与柱，柱与墙之间配筋加强，增加了配筋量。转换板的厚度往往很大，一般可达2.0—2.8m，厚板一方面重量很大，增大了对下部垂直构件承载力设计要求，另一方面本层的混凝土用量也很大。
由于相当于几层楼重量的厚板质量集中在结构中部，振动性能十分复杂，且该层刚度很大，下层刚度相对较小，容易产生底部变形集中，在地震作用下，地震反应强烈，对结构抗震不利。不仅板本身受力很大，而且由于沿竖向刚度突然变化，相邻上下层受到很大的作用力，容易产生震害。中国建筑科学研究院和东南大学等单位的试验研究表明，厚板本身产生破坏的可能性很小，厚板的上下相邻层结构出现明显裂缝和混凝土剥落。另外试验还表明，在竖向荷载和地震力的共同作用下，板不仅产生冲切破坏，而且可能产生剪切破坏，板内必须三向配筋。
从已设计的工程来看，带有厚板转换层的商住建筑，结构设计和施工都比较复杂，材料用量和造价都较高，而且抗震设计上的问题较多，目前还在进一步研究，所以采用这种结构形式要慎重对待。
3.发展前景
3.1钢骨混凝土转换层的应用
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预应力混凝土转换层的应用
采用预应力技术可带来许多结构和施工上的优点，如减小截面尺寸、控制裂缝和挠度，因此，预应力混凝土结构非常适合于建造承重荷载的大跨度转换层，且有自重轻，节省钢材和混凝土。随着我国预应力技术的发展，预应力材料及施工费用不断下降，即使用材料等强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。
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多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。
3.4新型转换结构的应用
由多个单层桁架（空腹桁架，混合空腹桁架等）迭合组成的结构称为“ 迭层桁架结构” 如下图，迭层桁架的工作机制是由多根截面尺寸较大的弦杆（梁）共同承担上部竖向荷载的工作机制，设置斜杆改变了竖向荷载的传力方向和位置，起卸载作用，类似于拱传力。因此将单层或迭层桁架替代转换梁作为转换层结构将是一种可行的结构方案。
3.5传统抗侧力结构形式的改善
框架结构和框架-剪力墙结构是传统的抗侧力结构形式，已广泛地被应用于高层建筑中，但这些传统的结构形式不能满足现代高层建筑多功能、综合用途的建筑空间要求，寻求新的抗侧力结构形式便成为工程设计人员所关注的问题。
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