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宋 斌
海门市轻工建筑安装工程有限责任公司
【摘 要】我国经济社会快速发展，高层建筑大量出现，高层建筑设计、施工技术均得到了快速的发展。结构复杂、多功能和多元化的高层建筑，由于竖向结构无法上下连续，需要在中间设置转换层。在转换层中，设置钢桁架转换层，对于提高高层建筑结构抗震性能具有重要的意义和作用。文章介绍了高层建筑中的转换层结构，并分析了设置钢桁架转换层的结构设计，为提高建筑结构抗震性能提供参考与借鉴。
【关键词】转换层；桁架；高层建筑；抗震性能；研究
由于高层建筑承载多种功能，且功能使用空间大，因此往往需采用转换层结构。在当前高层建筑中，梁氏转换层结构可实现垂直转换，也是转换层中常见的结构形式[1]。但转换梁结构不利于大型管道设备系统布置，也无法提供足够的空间，所以需要设计新的转换层结构来替代大梁。文章主要分析了桁架转换层的高层建筑结构抗震性能，为相关工程设计提供科学的依据。
一、高层建筑转换层结构介绍
对于高层建筑来说，转换层可实现以下功能：
一是提供较大的室内空间，如果建筑内需要设置会议室、商店和文化娱乐场所使，可将一部分剪力墙转化为框支剪力墙，用框架柱代替剪力墙，让建筑更好发挥其功能。
二是提供大的入口：建筑筒中筒结构内筒，无效变化，需要对外筒进行转变，在外框上设置3m～4m柱距，很难为建筑物提供大的入口，所以转换构件沿建筑平面角筒或边柱布置可提供较大入口[2]。其中，外框筒转换层可用桁架、梁氏和拱等转换结构。
三是从结构看，转换层可实现上、下层结构类型高转换，上、下层柱网、轴线改变，同时转换结构形式、结构轴线布置。
高层建筑结构转换层分为梁氏、桁架式、厚板式和箱形四种基本结构形式。如果建筑采用空腹杆桁架式或存在腹杆桁架式转换层时，并且楼层面积较大时，则此种条件下的转换层可视为弹性转换层。
桁架式转换层由梁氏结构转换而来，包括有腹杆桁架式转换层、空腹桁架式转换层两种形式，均采用混凝土桁架或钢桁架。其中，混凝土桁架属于转换层承重结构，上、下弦杆分别设置于转化层上、下楼面结构内，且层间设有腹杆。上、下弦高度较高，截面尺寸较小，其受力明确、传力途径清楚。在建筑结构中采用桁架转换层结构，对于布置大型管道设备系统十分有利，且具备足够的灵活性，可充分利用转换层级建筑空间[3]。同时，解决建筑采光通风问题也需设置桁架，易于满足建筑功能要求，有助于减轻结构自重。通过上理论分析，在转换层结构中采用单层或迭层桁架结构，是一种理论上可行的方案。
在高层建筑结构中不是转换层，需要遵循一定的原则。通常，高层建筑下部楼层竖向结构体系或与上部楼层差异大，则需要结构转换层。所以，要按照建筑功能和结构传力需要来设置结构转换层。如建筑物的整体刚度不足，可在结构竖向一定部位设置加强层，通过人为方式来加强结构整体弯曲效应。而对于多塔楼的商业建筑，可在群房屋面层设置转换层，并准确确定大屋面梁、厚度和板尺寸。而对于部分框支剪力墙高层建筑结构，原则上转换层的位置不得超过五层。
二、桁架转换层结构的设计分析
（一）桁架转换层形式
目前，桁架转换层由单层桁架与迭层桁架联众。其中，桁架转换又包括空腹和斜腹桁架两种。桁架转换层构件，可为预应力结构、钢结构和钢筋混凝土结构。而在建筑工程实际运用过程中，多采用预应力混凝土和混凝土结构的桁架式转换结构[4]。由于大跨度钢桁架结构转换层的构造和施工复杂、难度大，在工程应用中的范围较小。
在设计转换层时，需要遵循以下原则：一是减少转换原则，布置转换层上下竖向结构时，尽量将上部竖向结构与向下结构贯通，特别是框架核心筒；二是传力直接；三是强化下部、弱化下部；四是优化转换结构；五是准确、全面、认真细致计算。
三、钢桁架转换层高度对建筑结构抗震性能的影响
根据高位钢桁架转换层建筑结构弹性抗震分析可知，高位转换层对建筑结构地震反应的影响是非常明显的。在结构设计中，转换层一般处于较高位置，而随着近年来对复杂高层建筑结构转换层研究的逐步深入，其设置高度会影响高层建筑性能也逐渐清晰。为了更好了解高位钢桁架转换层对高层建筑抗震性能的影响，通过建立模型进行计算。
本研究建立三个模型：一是以实际模型为基础，于第6层增加3个钢桁架转化构件，并抽调3根柱子，下部结构大门洞前后贯通，并保持结构楼层数和高度不变；二是以模型1为基本条件，将转换层置于第10层，适当减少上部楼层数量，维持总高度不变；第三种模型仍以模型1为基础，转换层位于第3层，上部楼层数量增加，维持建筑结构不变[5]。
图1 三种模型图
先来探讨钢桁架转换层高度对建筑结构动力特性中自振周期的影响：具体看下表：
表1 各个模型自振周期情况（s）
阶次 原模型 模型1 模型2 模型3
1 1.2410（Y） 1.2311（Y） 1.2512（Y） 1.223（Y）
2 1.1234（X） 1.1312（X） 1.1223（X） 1.0743（X）
3 0.6663（R） 0.6665（R） 0.6662（R） 0.6632（R）
4 0.2873（X） 0.2831（X） 0.2834（X） 0.3231（X）
5 0.3401（Y） 0.3490（Y） 0.3434（Y） 0.2932（Y）
6 0.2345（Z） 0.2332（Z） 0.2353（Z） 0.2323（Z）
7 0.2147（Z） 0.2184（Z） 0.2155（Z） 0.2831（Z）
8 0.1942（Z） 0.19112（Z） 0.1934（Z） 0.1932（Z）
9 0.1823（R） 0.1874（R） 0.18566（R） 0.1821（R）
10 0.1723（Z） 0.1712（Z） 0.1786（Z） 0.1735（Z）
通过对模型的分析，可知设置钢桁架转换层对建筑结构变形会产生显著影响，对结构地震剪力也会产生显著影响，如转换层设置高度低，则结构总地震剪力与层间剪力越大，不利于结构抗震；转换层位置下移时，需适当加强竖向构件截面与配筋，增强抗震延性[6]。而当钢桁架转换层高度变化时，于结构弹性范围内，转换层周五楼层层间位移角不可能超出限值，表示结构的抗震性能良好。
结语：
在高层建筑结构中，钢桁架转换层得到了广泛的应用，主要得益于其灵活的功能布置。目前对设置钢桁架转换层对高层建筑结构抗震性能的研究较少，本研究认为，钢桁架转换层对高层建筑侧移可起到约束作用，需要将其设置于应力集中处，也是结构薄弱处。但也需要注意转换层位置，避免对结构抗震造成不利影响。
参考文献：
[1]李国胜.关于底部大空间剪力墙结构的转换层设计[J].建筑结构，2011，23：124-125.
[2]容柏生.高层建筑结构中的短肢剪力墙结构体系[J].建筑结构学报，2014，10：109-110.
[3]张伟，梁兴文.钢筋混凝土异形柱框架结构层间位移角限制研究[J].建筑结构，2012，12：214-215.
[4]曹万林，王光远.钢筋混凝土异形柱框架抗震设计若干问题的研究[J].地震工程与工程振动，2013，23：111-114.
[5]王广勇，姜永生，付传国.对大跨度迭层桁架转换层整体转换结构几个力学问题的讨论[J]工业建筑，2014，34：126-127.
[6]戴国良，姜永生，傅传国等.高层型钢混凝土空间转换层结构性能研究[J].建筑结构学报，2012，23：129-130.
海门市轻工建筑安装工程有限责任公司
【摘 要】我国经济社会快速发展，高层建筑大量出现，高层建筑设计、施工技术均得到了快速的发展。结构复杂、多功能和多元化的高层建筑，由于竖向结构无法上下连续，需要在中间设置转换层。在转换层中，设置钢桁架转换层，对于提高高层建筑结构抗震性能具有重要的意义和作用。文章介绍了高层建筑中的转换层结构，并分析了设置钢桁架转换层的结构设计，为提高建筑结构抗震性能提供参考与借鉴。
【关键词】转换层；桁架；高层建筑；抗震性能；研究
由于高层建筑承载多种功能，且功能使用空间大，因此往往需采用转换层结构。在当前高层建筑中，梁氏转换层结构可实现垂直转换，也是转换层中常见的结构形式[1]。但转换梁结构不利于大型管道设备系统布置，也无法提供足够的空间，所以需要设计新的转换层结构来替代大梁。文章主要分析了桁架转换层的高层建筑结构抗震性能，为相关工程设计提供科学的依据。
一、高层建筑转换层结构介绍
对于高层建筑来说，转换层可实现以下功能：
一是提供较大的室内空间，如果建筑内需要设置会议室、商店和文化娱乐场所使，可将一部分剪力墙转化为框支剪力墙，用框架柱代替剪力墙，让建筑更好发挥其功能。
二是提供大的入口：建筑筒中筒结构内筒，无效变化，需要对外筒进行转变，在外框上设置3m～4m柱距，很难为建筑物提供大的入口，所以转换构件沿建筑平面角筒或边柱布置可提供较大入口[2]。其中，外框筒转换层可用桁架、梁氏和拱等转换结构。
三是从结构看，转换层可实现上、下层结构类型高转换，上、下层柱网、轴线改变，同时转换结构形式、结构轴线布置。
高层建筑结构转换层分为梁氏、桁架式、厚板式和箱形四种基本结构形式。如果建筑采用空腹杆桁架式或存在腹杆桁架式转换层时，并且楼层面积较大时，则此种条件下的转换层可视为弹性转换层。
桁架式转换层由梁氏结构转换而来，包括有腹杆桁架式转换层、空腹桁架式转换层两种形式，均采用混凝土桁架或钢桁架。其中，混凝土桁架属于转换层承重结构，上、下弦杆分别设置于转化层上、下楼面结构内，且层间设有腹杆。上、下弦高度较高，截面尺寸较小，其受力明确、传力途径清楚。在建筑结构中采用桁架转换层结构，对于布置大型管道设备系统十分有利，且具备足够的灵活性，可充分利用转换层级建筑空间[3]。同时，解决建筑采光通风问题也需设置桁架，易于满足建筑功能要求，有助于减轻结构自重。通过上理论分析，在转换层结构中采用单层或迭层桁架结构，是一种理论上可行的方案。
在高层建筑结构中不是转换层，需要遵循一定的原则。通常，高层建筑下部楼层竖向结构体系或与上部楼层差异大，则需要结构转换层。所以，要按照建筑功能和结构传力需要来设置结构转换层。如建筑物的整体刚度不足，可在结构竖向一定部位设置加强层，通过人为方式来加强结构整体弯曲效应。而对于多塔楼的商业建筑，可在群房屋面层设置转换层，并准确确定大屋面梁、厚度和板尺寸。而对于部分框支剪力墙高层建筑结构，原则上转换层的位置不得超过五层。
二、桁架转换层结构的设计分析
（一）桁架转换层形式
目前，桁架转换层由单层桁架与迭层桁架联众。其中，桁架转换又包括空腹和斜腹桁架两种。桁架转换层构件，可为预应力结构、钢结构和钢筋混凝土结构。而在建筑工程实际运用过程中，多采用预应力混凝土和混凝土结构的桁架式转换结构[4]。由于大跨度钢桁架结构转换层的构造和施工复杂、难度大，在工程应用中的范围较小。
在设计转换层时，需要遵循以下原则：一是减少转换原则，布置转换层上下竖向结构时，尽量将上部竖向结构与向下结构贯通，特别是框架核心筒；二是传力直接；三是强化下部、弱化下部；四是优化转换结构；五是准确、全面、认真细致计算。
三、钢桁架转换层高度对建筑结构抗震性能的影响
根据高位钢桁架转换层建筑结构弹性抗震分析可知，高位转换层对建筑结构地震反应的影响是非常明显的。在结构设计中，转换层一般处于较高位置，而随着近年来对复杂高层建筑结构转换层研究的逐步深入，其设置高度会影响高层建筑性能也逐渐清晰。为了更好了解高位钢桁架转换层对高层建筑抗震性能的影响，通过建立模型进行计算。
本研究建立三个模型：一是以实际模型为基础，于第6层增加3个钢桁架转化构件，并抽调3根柱子，下部结构大门洞前后贯通，并保持结构楼层数和高度不变；二是以模型1为基本条件，将转换层置于第10层，适当减少上部楼层数量，维持总高度不变；第三种模型仍以模型1为基础，转换层位于第3层，上部楼层数量增加，维持建筑结构不变[5]。
图1 三种模型图
先来探讨钢桁架转换层高度对建筑结构动力特性中自振周期的影响：具体看下表：
表1 各个模型自振周期情况（s）
阶次 原模型 模型1 模型2 模型3
1 1.2410（Y） 1.2311（Y） 1.2512（Y） 1.223（Y）
2 1.1234（X） 1.1312（X） 1.1223（X） 1.0743（X）
3 0.6663（R） 0.6665（R） 0.6662（R） 0.6632（R）
4 0.2873（X） 0.2831（X） 0.2834（X） 0.3231（X）
5 0.3401（Y） 0.3490（Y） 0.3434（Y） 0.2932（Y）
6 0.2345（Z） 0.2332（Z） 0.2353（Z） 0.2323（Z）
7 0.2147（Z） 0.2184（Z） 0.2155（Z） 0.2831（Z）
8 0.1942（Z） 0.19112（Z） 0.1934（Z） 0.1932（Z）
9 0.1823（R） 0.1874（R） 0.18566（R） 0.1821（R）
10 0.1723（Z） 0.1712（Z） 0.1786（Z） 0.1735（Z）
通过对模型的分析，可知设置钢桁架转换层对建筑结构变形会产生显著影响，对结构地震剪力也会产生显著影响，如转换层设置高度低，则结构总地震剪力与层间剪力越大，不利于结构抗震；转换层位置下移时，需适当加强竖向构件截面与配筋，增强抗震延性[6]。而当钢桁架转换层高度变化时，于结构弹性范围内，转换层周五楼层层间位移角不可能超出限值，表示结构的抗震性能良好。
结语：
在高层建筑结构中，钢桁架转换层得到了广泛的应用，主要得益于其灵活的功能布置。目前对设置钢桁架转换层对高层建筑结构抗震性能的研究较少，本研究认为，钢桁架转换层对高层建筑侧移可起到约束作用，需要将其设置于应力集中处，也是结构薄弱处。但也需要注意转换层位置，避免对结构抗震造成不利影响。
参考文献：
[1]李国胜.关于底部大空间剪力墙结构的转换层设计[J].建筑结构，2011，23：124-125.
[2]容柏生.高层建筑结构中的短肢剪力墙结构体系[J].建筑结构学报，2014，10：109-110.
[3]张伟，梁兴文.钢筋混凝土异形柱框架结构层间位移角限制研究[J].建筑结构，2012，12：214-215.
[4]曹万林，王光远.钢筋混凝土异形柱框架抗震设计若干问题的研究[J].地震工程与工程振动，2013，23：111-114.
[5]王广勇，姜永生，付传国.对大跨度迭层桁架转换层整体转换结构几个力学问题的讨论[J]工业建筑，2014，34：126-127.
[6]戴国良，姜永生，傅传国等.高层型钢混凝土空间转换层结构性能研究[J].建筑结构学报，2012，23：129-130.