摘要：文章简单介绍了高层建筑转换结构的几种基本形式，分析了转换层力学特性及其影响因素，并通过动力弹塑性分析及模型试验验证其结构特性，以确定此类结构的薄弱部位。 关键词：高层建筑；转换结构；薄弱部位
Abstract: the article briefly introduces the structure of the high-rise building conversion of several basic form, and analyzes the mechanics characteristics conversion layers and the influencing factors, and through the dynamic elastic-plastic analysis and model experiments, the characteristics of the structure to determine such structure of the weak positions.
Keywords: high building; Conversion structure; Weak positions
中图分类号： TU97 文献标识码：A 文章编号：
引言
高层建筑功能和形式日益多样化，当多功能综合大楼要求一栋建筑物的上部(中部)和下部使用功能不同时，结构布置也要相应改变，要设置转换构件衔接上下结构，传递内力，设置转换构件的楼层称为转换层。20世纪80年代以来，高层建筑发展迅速。建筑向体型复杂、功能多样的综合性方向发展。转换层位置较高，一般在3―6层，有的位于7―10层，甚至更高。在现代高层建筑中，转换层的应用愈来愈多，与加强层一样，它增加了结构的复杂程度。
1转换结构类型
高层建筑的转换结构一般可分为四种基本结构形式即：梁式、桁架式(含桁架、空腹桁架)、箱形、厚板式，此外还有连续拱、过渡层、合并柱转换等。
1．1梁式转换
底层柱距扩大后，采用转换梁来承托上部密排柱传来的竖向荷载。转换梁的截面尺寸根据上下柱距和荷载大小而定，有时截面高度可达一层楼高。有时也采用预应力大梁。应用于框支剪力墙结构上的梁式转换层最早，对其展开的研究也较多，理论相对成熟。通过比较多的工程研究，人们都认为梁式转换层这种结构形式受力明确，设计和施工相对简单，同时在转换梁受力较小部位可以开设合适的洞，容易满足建筑功能和设备管道线布置的要求，因此，在近些年的转换层结构设计中应用十分为广泛。
1．2桁架式转换(含桁架、空腹桁架)
桁架具有刚度大、自重轻、并能跨越较大跨度的特点。在底层出入口处，利用转换桁架来代换实腹的转换梁，可以取得较好的经济效果，管道穿行较为方便并且还可以采光。
1．3箱形转换
箱形转换是通过一整层来达到具有较大刚度和承载力的一种转换结构，实际上也是由梁式结构转换层变化而来。在这一转换层中，楼层上下面的同一轴线上均设一道大梁，梁间是钢筋混凝土墙，构成类似于桁架的大型组合梁结构。纵横两向的组合梁交叉成梁格，大部分交叉处有底层通上来的柱子，底板和顶板都是钢筋混凝土厚板，这样便形成一个箱形刚性层。在该层的腹板中可以选择适当位置开设管道和人通行孔洞。
由于箱形转换层结构完整并且具有较大刚度，上层的剪力墙与箱形转换层相当于一个结构中的两个构件，彼此之间受力关系清楚，从某种程度上讲，上部剪力墙结构的受力状况与坐落在箱形基础上的纯剪力墙结构相似。因此，过渡层上的剪力墙不像框支剪力墙结构那样应力复杂，这就在一定程度上解决了框支剪力墙结构中剪力墙开洞要求与洞口限制之间的矛盾。但箱形转换层自身刚度较大，大空间的底层或下部几层的结构平面需进行合理布置，保持一定的刚度，避免在抵抗水平力时因底层刚度削弱产生较大相对位移而造成破坏。
1．4厚板转换
厚板结构的转换层通常用于上下层既有结构类型的改变又有柱网、轴线变化的情况。对于体型复杂的商住楼，特别是多塔楼体系，上部住宅单元剪力墙布置很不规则。而下部商场要求规则大柱网，难以布置转换梁和桁架，采用厚板转换层成为一种较好选择。整个转换层是一块厚达2．0―3．0m的实心钢筋混凝土承重板。有的厚板转换层在一定部位也设有暗梁，以满足上部结构的变化要求。早期的典型工程有捷克布拉的斯拉发KyiewHotel、香港绿杨新村以及深圳蛇口工业区碧采花园等。作为一种新型的转换层，厚板结构转换层可以使建筑物上下部的墙、柱轴线不受任何限制，从而更好地实现对高层建筑多功能的要求，但从结构上讲，这是一种对抗震极为不利的复杂结构体系。厚板的重量达数千吨以至上万吨，它相当于上部结构的“基础”，但“基础”又支撑在有侧移的“软弱底层”上，这样大的质量集中在建筑物的中部，振动性能极为复杂，加之该层刚度非常大，下层刚度又很小，容易产生底部变形集中和震害。
1．5连续拱
钢筋混凝土具有承载力大和跨度大的特点，如果能与建筑立面处理相协调，底层也可采用连续拱来扩大净空。但是，在结构上必须处理好边跨拱的巨大推力。
1．6过渡层
前面几种处理方案都使框筒的楼层抗推刚度在底层发生突变，应用于地震区的高楼结构时，会引起变性集中等不利影响。如果采用调整柱的截面和高度，使框筒的楼层抗推刚度逐步变化，将会在地震反应上取得较好的效果。
1．7合并柱
美国纽约的世界贸易中心大楼是采用钢框筒的最高建筑。9层以上的框筒的柱距为1．02m；8层以下，柱距扩大为3．06m，是采取每三根柱合并为一根柱的办法解决的。过渡层则采用斜柱加以衔接。这样处理既解决了楼层刚度突变问题，又取得了独特、别致竖向线条的立面效果。
2转换层力学特性及其影响因素分析
对18层带转换层的框支剪力墙结构的商住楼的动力时程分析，研究了转换层的设置高度、转换层以下和以上结构的刚度、刚度比、层屈服强度等因素对建筑物的抗震性能的影响。
2．1转换层设置高度的影响
采用弹性时程分析方法，其他条件不变，转换层设在结构的3、5、7、9、11、13层时(刚度比Y=1．56)，结构周期的变化如图1(a)所示，结构的总体结构沿层间侧移包线、竖向各层侧移包线、层间侧移角包线比较如图1(b)、图1(c)、图1(d)所示。可以看出：
图1：换层设置高度的影响
(1)随着转换层位置的提高，结构周期变长。结构自振周期变化的原因有二：第一，转换层设置位置增高，由于下部大空间的要求，下部几层层高比较大，结构的总高度变大，使结构的柔度增大，从而使结构的自振周期变大；第二，框支剪力墙结构在转换层以下由于剪力墙数量减少，使结构的刚度减小，从而使整个结构变柔，导致结构周期变长。
(2)结构的层侧移、层间侧移、层间侧移角在转换层的位置均有突变。
(3)当结构转换层设置位置较低时，结构的最大层问侧移并不在转换层位置，而当转换层设置位置较高时，转换层的层间侧移即为结构的最大层间侧移。
2．2转换层以下和以上结构刚度的影响
当转换层设置在较低位置时，结构的刚度比减小，能够减小结构在地震作用下的侧移，改善结构的抗震性能。而当转换层设置在较高位置时，结构的刚度比减小，并不能减小结构在地震作用下的侧移，达不到改善结构抗震性能的目的。这是因为转换层以下结构加厚落地墙肢，使刚度增加的同时，每层的质量也有所增加，这就使得结构所承受的地震作用也相应增加。当增加到一定程度后，结构刚度增加不再起主导作用，结果就造成结构侧移的增加。
通过加大转换层以上剪力墙连梁尺寸，增大连梁刚度，可以使结构转换层以上各层的层间侧移减小，同时也使转换层以下各层的层间侧移加大，但对上部结构的影响明显大于对下部结构的影响；连梁刚度的改变对结构的侧移有影响，但影响不是很大。连梁刚度的增加，使结构顶点的侧移减小。通过加大转换层以下框支柱的截面尺寸，使框支柱的刚度增大，当转换层设置位置较低时，能够减小结构在地震作用下的侧移，但当转换层的设置位置高到一定程度时，就有可能使结构在地震作用下的侧移增大。当转换层设于7层时，框支柱刚度对结构在地震作用下的侧移减小幅度为最大。
2．3转换层减震措施
在实际工程中，转换结构抗震设计除遵循一般原则外，还应重视概念设计和构造措施。必要时可考虑采用安装消能减震(阻尼器)装置，当转换层下一层为架空时更有利于采用。转换结构宜采用梁式，以直接承托卜部短肢剪力墙结构为佳，避免或慎用二级转换。下部短肢剪力墙尽可能布置于转换梁支座处，不使转换梁跨中承受大的集中荷载。转换层的刚度通常很大，自重亦大，地震反应大，除强度设计外，应重视其延性设计。试验研究表明，受转换层影响，转换层以下1―2层及转换层以下的各层的震害严重，是抗震设计的再点部位。这些部位的主要抗侧力构件宜适当增大截面尺寸和提高配筋指标。
3结论
对于带转换的底部大空间剪力墙结构这样的复杂结构可以做，但应当慎重设计。因此建议：(1)高层转换结构其转换层附近的刚度和质量差异较大，调整转换层本身及其上、下的刚度比使之接近是必要的，转换层本身的刚度和质量不宜大，最终可通过水平力(静力)作用下精确的空间分析检查转换层附近的层间位移角是否基本均匀。(2)宜尽量选用刚度和重量较小的转换层结构形式，计算时应多取参与组合的振刭数。(3)通过计算仔细分析可能存在的薄弱部位，研究具体的内力分配特点，通过调整内力和构件配筋设计改善薄弱部位的性能。(4)在高层建筑中，底部大空间剪力墙转换结构宜进行弹塑性计算(弹塑性静力分析或时程分析)，以检验大震下的塑性较分布规律和层间变形，以保证结构在大震下的安全。
[参考文献]
[1]GB50011-2001建筑抗震设计规范[s]．
[2]JGJ3-2002高层建筑混凝土结构技术规程[s]．
[3]DBJ／T15-46-2005广东省实施