帶轉換層的高層建筑結構設計

摘要：本文結合設計實例對梁式轉換層結構設計進行了淺要的分析與探討。

關鍵詞： 梁式轉換層 設計要點 設計要求

引言

近年來，高層建筑不斷增多，建筑立面，功能的轉變也日趨復雜，尤其是在高層建筑和超高層建筑當中，其沿高度方向的建筑功能已經不再單一，往往是下部樓層及其裙樓用作商業等用途，而上部樓層則用作商務辦公或者住宅等用途。由于這類綜合性的建筑功能需求，給整個建筑結構體系提出了更高的要求，使我們建筑結構設計也越來越具有挑戰性。象這樣一類建筑上部是商務辦公或者住宅樓層通常需要布置小開間的軸網，并且需要比較多的墻體來進行分隔；而下部的商業樓層則需要布置間距較大的柱網和比較少的墻體分隔，以滿足其對建筑空間的大型、靈活、自由的需求。于是，帶轉換高層建筑結構體系就此應運而生，并在工程實踐中得到了長足的發展。而梁式轉換，是此類建筑工程普遍采用的一種轉換方式。本文結合工程設計實例對梁式轉換層結構設計進行了分析與探討。

1工程實況

該工程共31層，地下2層，其中-1層為半地下室，地上裙房3層，1層、2層高為4.5米，3層層高均為5.5米，4～32層高均為3.0米，建筑物總高101.5m。該工程地下二層為車庫及平戰結合的六級民防地下室，地下一層為大賣場及車庫，一～三層為商場，四～三十一層為高級公寓。建筑抗震設防類別：為丙類；抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度0.05g；設計地震分組為第一組；場地類別為Ⅱ類。轉換層設在第三層樓面。采用中國建筑科院編制的2005版PKPM - SATWE程序進行計算。

2 轉換層型式的選擇

各種形式轉換層的優缺點詳見表1。

表一

轉換層優點缺點

梁式轉換層設計和施工均較為簡單。傳力較為明確當上下軸線錯位布置時，需增設較多的轉換次梁，空間受力較為復雜

箱式轉換層轉換梁的約束強，剛度大整體工作效果好，上下部傳力較為均勻，并且建筑功能上還可將其作為“設備層”轉換梁梁中開設備洞較多，施工復雜。且造價較高

厚板式轉換層下部柱網受上部結構布局影響較小，可靈活布置。厚板剛度很大，形成性較好，而且施工也較為偏介厚板自重很大，地震作用也大，容易產生震害。并且材料耗用多，經濟性也較差

桁架式轉換層框框支柱柱頂彎矩和剪力比其他幾種轉換形式相對較小施工復雜程度較高，且對于軸線錯位布置時難度較大

結合工程實際建筑布局情況，并考慮經濟指標及施工難易程度，經過技術經濟比較后，決定工程采用梁式轉換層結構型式。

3 結構設計要點

3.1設計原則

高層建筑中轉換層的設置造成建筑物豎向剛度的突變，地震作用時在轉換層上下容易形成薄弱環節，對結構抗震不利，故轉換層結構在設計時應遵循以下原則：

⑴為防止沿豎向剛度變化過于懸殊形成薄弱層，設計中應考慮使上、下層剛度比γ≤2，盡量接近1。這樣才能保證結構豎向剛度的變化不至于太大，使上柱有良好的抗側力性能，減少豎向剛度變化，有利于結構整體受力。上下層剛度比計算式如式1所示。

γ=（Gi+1Ai+1hi）/（GiAihi+1） （式1） 式中：

Gi、Gi+1——第i、i+1 層混凝土剪變模量

A i 、A i + 1 —— 第i 、i + 1 層折算抗剪截面面積（A=AW+0.12AC）；

AW——在所計算的方向上剪力墻的全部有效截面面積；

Ac——全部柱的截面面積；

hi、hi+1——第i、i+1 層的層高。

⑵盡可能減少需結構轉換的豎向構件，直接落地的豎向構件越多，轉換結構越少，轉換層造成的剛度突變就越小，對結構抗震更有利。

⑶設計中應保證轉換層有足夠的剛度，一般應使梁高度不小于跨度的1/6，才能保證內力在轉換層及其下部。構件中分配合理，轉換梁、剪力墻柱有良好的受力性能，能較好地起到結構轉換作用。

3.2 結構豎向布置

高層建筑的側向剛度宜下大上小，且應避免剛度突變1然而帶轉換層的高層建筑結構顯然有悖于此，轉換層上下等效側向剛度比宜接近于1，不應大于1.3。在設計過程中，應把握的原則歸納起來，就是要強化下部，弱化上部。可以采用的方法有以下幾種：

（1）與建筑專業協商，使盡可能多的剪力墻落地，必要時甚至可在底部增設部分剪力墻（不伸上去） 。除核心筒部分剪力墻在底部必須設置外，還與建筑專業協商后，讓兩側各有一片剪力墻落地1這些無疑都大大增強了底部剛度。

（2）加大底部剪力墻厚度。轉換層以下剪力墻中，核心筒部分的厚度取為600mm，其余部分的厚度取為400mm。

（3）底部剪力墻盡量不開洞或開小洞，以免剛度削弱太大。

（4）提高底部柱、墻混凝土強度等級，采用C50 混凝土（框支柱采用C50混凝土） 。

（5）適當減少轉換層上部剪力墻數目，控制剪力墻厚度，并可在某些較長剪力墻中部開結構洞（結構施工完畢后再用填充墻填實） ，以弱化上部剛度。弱化上部剛度不僅對控制剛度比有利，還可減輕建筑物重量，減小框支梁承受的荷載；增大結構自振周期，減小地震作用力。

表二

件

名

稱梁柱剪力墻

框支梁，框支柱及1-6層與框支柱相連的框架梁地下二層梁、柱裙房及地下一層框架梁、柱地下二層底部加強部位非底部加強部位

轉換層以下轉換層以上兩層

抗震等級特一級三級一級三級一級一級二級

工程綜合采用上述幾種方法后，轉換層上下剛度比在X方向為0.725，在Y方向為0.813，滿足規范要求，效果良好。雖然上下部剛度比滿足要求，但畢竟工程仍屬于豎向不規則結構，轉換層及其下各層為結構薄弱層，因而應將該兩層的地震剪力乘以1.15的增大系數。

3.3 結構平面布局

工程底部為框架- 剪力墻結構，體型簡單、規則；上部為純剪力墻結構。在剪力墻平面布置上，東西向完全對稱，南北向質量中心與剛度中心偏差不超過2m，結構偏心率較小。除核心筒外，其余剪力墻布置分散、均勻；且盡量沿周邊布置，以增強抗扭效果。查閱計算結果，扭轉為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比為0.85，各層最大水平位移與層間位移比值不大于1.3，均滿足平面布置及控制扭轉的要求。可見工程平面布局規則合理，抗扭效果良好。

4轉換構件設計要求

4.1框支柱

框支柱截面尺寸一般系由其軸壓比計算確定。地震作用下框支柱內力需調整。抗震設計時， 框支柱的柱頂彎矩應乘以放大系數，并按放大后的彎矩設計值進行配筋；剪力調整———框支柱承受的地震剪力標準值應按下列規定采用；框支柱的數目不多于10 根時，當框支層為1～2 層時，每層每根柱承受的剪力應至少取基底剪力的2%；當框支層。為3 層及3 層以上時，各層每根柱所受的剪力應至少取基底剪力的3%；框支柱的數目多于10 根時，當框支層為1～2 層時，每層每根柱承受的剪力之和應取基底剪力的20%；當框支層為3 層及3 層以上時，每層框支柱承受剪力之和應取基底剪力的30%；框支柱剪力調整后，應相應調整框支柱的彎矩及柱端梁的剪力、彎矩，框支柱軸力可不調整。

框支柱全部縱向鋼筋配筋率，抗震等級一級時不小于1.2%，二級時不小于1.0%，三級時不小于0.9%，四級及非抗震設計時不小于0.8%。縱向鋼筋間距抗震設計時不大于200mm，且不小于80mm，全部縱向鋼筋配筋率不宜大于4%。

4.2框支梁

框支梁截面尺寸一般由剪壓比控制，寬度不小于其上墻厚的2倍，且不小于400mm；高度不小于計算跨度的1 /6。工程框支梁梁寬統一定為800mm。框支梁受力巨大且受力情況復雜，它不但是上下層荷載的傳輸樞紐，也是保證框支剪力墻抗震性能的關鍵部位，是一個復雜而重要的受力構件，因而在設計時應留有較多的安全儲備，特一級抗震等級的框支梁縱筋配筋率不得小于0.6%。框支梁在滿足計算要求下，配筋率不小于0.8%。框支梁一般為偏心受拉構件，梁中有軸力存在，因而應配置足夠數量的腰筋。腰筋采用Ф16，沿梁高間距不大于200mm，并且應可靠錨入支座內。框支梁受剪很大，而且對于這樣的抗震重要部位，更應強調“強剪弱彎”原則，在縱筋已有一定富余的情況下，箍筋更應加強。箍筋統一采用Ф14@100八肢箍全長加密，配箍率達到1.53%。

結語

針對梁式轉換部分短肢剪力墻結構的高層建筑，上下剛度和質量不均勻，傳力途徑不直接，轉換部位應力復雜的特點，著重研究了梁式轉換層的設計方法，從轉換梁尺寸選擇、轉換梁設計與構造要求、框支柱的設計和構造要求等方面闡述梁式轉換層結構的設計、計算與構造要求，提供了切實可行的實踐經驗，對實際工程的設計具有一定的參考價值。

參考文獻

【1】中華人民共和國建設部（JGJ3—2010）高層建筑混凝土結構技術規程【s】.

【2】中華人民共和國建設部（GB500ll—2010）建筑抗震設計規范【s】

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