提要：本文結合實際工程分析了高層建筑中轉換層分別采用梁式轉換和桁架轉換構件在地震作用和風荷載作用下的周期、位移、內力等性能特性，得到了在不同轉換形式下結構設計應注意的問題，為工程設計提供參考。
　　關鍵詞：高層建筑，轉換層，結構分析
　　
　　1.引言
　　隨著城市的發展,對高層建筑要求有多用途,往往底層用作商場、餐館等，中間層用作寫字間，上層用作住宅或者旅館。這種布局要求在底層布置大空間，頂層布置小空間，這恰恰與結構布置的常規方式相反，為了保證結構構件傳力的合理，要在結構體系變換的樓層處設置轉換層。
　　常見的轉換層結構形式有梁式轉換，桁架式轉換，空腹桁架式轉換，箱形轉換，板式轉換，轉換拱，組合柱等。對于高層建筑尤其是超高層建筑，由于轉換層上部樓層較多，荷載較大，近年來轉換層常采用鋼與混凝土組合構件。本文對一座超高層建筑根據不同的轉換形式分析兩種轉換構件應用在超高層建筑上的優缺點。
　　
　　2. 工程概述
　　
　　某高層建筑地上78層，地下5層。總建筑面積為288000多m2，總高度為330.25m。采用框架核心筒結構。由于建筑布置的需要，上部柱距為5.15m,下部商場需要采用大空間，因此需要在第九層采用抽柱轉換以增大柱距。
　　
　　3. 結構反應分析
　　
　　以下分別采用梁式轉換和桁架轉換兩種形式，用ETABS程序對比分析了整體結構的性能指標[1]。
　　方案1.采用梁式轉換層
　　建筑下部柱距為10.3m，轉換層高4.9m。
　　由于要承托上部近70層樓的荷載，為了避免轉換梁尺寸過大，所以采用型鋼混凝土梁，按照設計規范[2]，采用程序整體分析的結果，其截面形式如圖1所示，尺寸為1200mm×2800mm，混凝土采用C60，型鋼為Q345鋼板焊接，截面尺寸2300mm×1000mm×50mm×50mm，采用對稱布置鋼筋，箍筋和腰筋采用構造配筋。
　　方案2.采用桁架轉換層
　　轉換桁架示意圖如圖2所示，桁架高為轉換層的層高，采用鋼管混凝土結構，斜撐構件采用Q345C鋼材，選擇尺寸為1200mm×900mm×50mm鋼管，內添C60混凝土以增加其抗壓強度。
　　(1)周期比較
　　該結構的第一振型為Y方向的平動，第二振型為X方向的平動，第三振型為扭轉振型。表1列出結構的前三個周期，扭轉振型與第一振型的比值在0.34左右，都小于規范[3]所規定的B類建筑的0.85，結構的平面布置比較均勻。周期差別不大，采用梁式轉換體系周期比桁架轉換的稍長，結構更柔。
　　                             
　　圖1轉換梁截面示意圖           圖2轉換桁架示意圖
　　
　　表1.結構周期(s)

　　(2)不同轉換形式對柱剪力的影響
　　轉換層設置越高，轉換層附近樓層的剛度和剪力分布突變越加劇，這一規律不僅在框支剪力墻結構中存在，在筒體結構中同樣存在。抗震設計中一般限制轉換層的高度，7度抗震設計時轉換層設置位置不超過5層[4]，該結構的轉換層位于第九層，所以剪力分布突變程度比較嚴重。
　　由于該結構Y方向的高寬比較大，因此Y方向的地震作用和風荷載對建筑影響較大。本文輸入的單向地震作用是Y方向的地震作用。分析結果顯示，結構15層以上不同轉換形式對結構受力影響不大，因此這里只列出15層以下的剪力。選擇了一條有代表性的軸線上在單向地震和雙向地震作用下柱剪力分布，可以發現轉換層附近剪力明顯增大，轉換層附近的剪力是其他樓層的近7倍，并且梁式轉換的柱剪力增大幅度大于桁架轉換的柱剪力，最大增幅可達90%以上。兩種轉換形式的剪力突變的范圍不同，桁架轉換柱剪力突變發生在第8、9、10層，即轉換層及其相鄰層，而梁式轉換剪力突變發生在第9、10層。
　　結構內力的分析表明，梁式轉換層中托梁上的框支柱端彎距很大。這是因為托梁的截面很大，托梁的線剛度比框支柱大得多，托梁對其柱端的約束很強。在水平力作用下，上部結構變形時會在框支柱與托梁交接處產生很大的柱端彎距，再加上水平剪力作用，該處是結構的薄弱部位，設計時應該引起注意。
　　(3)不同轉換形式的等效層剛度分布
　　可以發現轉換層附近剛度變化較大，且轉換層的剛度大于其下部樓層的剛度，與整個結構剛度變化情況不一致，而且由于結構X方向強于Y方向，X方向轉換層附近剛度變化較Y方向明顯。結構剛度只是在轉換層附近有較大的差別，在其他樓層差別不是很大。桁架轉換由于斜撐的存在，剛度變化要比梁式轉換的更明顯。其中桁架轉換中轉換層下層與轉換層剛度比為71%，這些導致轉換層附近樓層地震作用下，樓層地震剪力突變，桁架轉換層的地震剪力比其上一層增加了26%，梁式轉換層的地震力比其上一層增加了39%。轉換層的層高為4.9米，其下一層層高為3.9米，這樣增大轉換層的層高能減少剛度豎向分布的變化。由于轉換層下部8層為整個建筑的裙房，建筑平面面積增加，使得整個轉換層受力比較復雜。
　　(4)不同轉換形式對位移和層間相對位移的影響
　　在Y向風荷載作用下梁式轉換結構頂層位移比桁架轉換多近50mm，對于層間相對位移來說，在轉換層的位置上層間相對位移有比其他加強層更很明顯的變化，梁式轉換對層間相對位移控制不如桁架轉換的好，Y向風荷載作用下，梁式轉換的最大層間相對位移比桁架轉換大7.6%，為1/483，超過規程的1/500[3]，如果要在在設計中采用，僅僅靠轉換層的設計是達不到規范要求的，要采取更多的措施控制水平位移。
　　4.結論
　　
　　（1） 轉換層的形式對結構的總體剛度影響不是很大。
　　（2） 轉換層的設置使其附近樓層的剛度和剪力有較大的突變，由于桁架轉換中斜撐的存在，轉換層本身的剛度有較大的突變。而梁式轉換的柱端最大剪力出現在轉換層的上一層。
　　（3） 結構的頂層位移和層間相對位移受轉換形式的一定影響，梁式轉換層對結構位移控制效果不如桁架轉換層的明顯。
　　綜上所述，超高層建筑中的轉換層是結構中的重要的構件，設計時要綜合考慮結構周期，相鄰層構件剛度、內力分布，轉換層本身的剪力和彎距分布以及施工難易等方面。采用桁架轉換可以比梁式轉換減少局部質量集中，利于構件內力的平穩過渡。這兩種轉換形式對整體的影響不是很大，但是轉換層附近構件差別較大。
　　參考文獻
　　1. 《ETABS中文版使用指南》[M]，北京：中國建筑工業出版社，2004。
　　2. 《高層民用鋼結構設計規程》中國建筑工業出版社，1998年。
　　3. 《高層建筑混凝土結構技術規程》中國建筑工業出版社，2002。
　　4. 耿娜娜，徐培福。帶轉換層筒體結構的剛度和剪力分布突變。建筑科學2002，18（3）