高層建筑箱形轉換層結構設計探討

摘要：目前高層建筑已經成為主要的建筑形式，在城市現代化建設中發揮重要作用。為了滿足建筑不同功能的需要，在設計建筑結構時，也會采用不同的建筑設計方案。轉換層是現代高層建筑結構設計中較為常見的一種結構形式，現本文就主要探討了箱形轉換層結構的主要設計方法和技術措施。文章是以某高層建筑為例，對其計算和設計分別進行了詳細探討，以供同類工程參考借鑒。

關鍵詞：高層建筑;箱形;轉換層;結構設計

某高層建筑工程是位于某市中心的一個高檔住宅區建筑，總建筑面積為20萬m2，一共由5棟30層高層建筑組成，其中地上一層為酒店式大堂，地下有2層地下室，并且為了充分利用地下空間，5棟建筑的地下室是相互連通的。這樣一來，就為地下結構的承重能力提出了較高的要求。且由于2層以上都是住宅部分，一般都是小開間，上層的柱結構要比一層柱結構更多，為了保證建筑的穩定和安全，經設計人員研究，決定采用框支剪力墻結構，并將地上二層設計為轉換層。以下本文就來談談該轉換層結構的設計方案。

1、結構設計總體設想及面臨的問題

在建筑相關規定中，本工程屬于丙類建筑，結構安全等級為二級。抗震設防烈度為7度。為了確保建筑基礎的強度，采取了灌注樁和樁筏基礎進行基礎施工。由于地下兩層和地上一層均為大開間，柱結構較少。而地上二層以上均為小開間的住宅區，結構垂直方向受力不均勻，因此在結構設計人員在研究后最終決定采用框支剪力墻結構作為建筑的主體結構，并在地上二層設置箱形轉換層，箱高2.3m。這樣一來，就可以解決上部墻體無法落在框支梁上的受力問題，從而有效的增大建筑轉換層的抗壓能力、強度和整體剛度。并且通過箱形轉換層的上下層板還能在一定程度上改善框支梁的抗扭性。從而使整個建筑結構的受力更為合理。

另外，為了使建筑的總體剛度進一步增強，還要對建筑的抗側力構件進行合理的布局設置，這樣還可以提高建筑的抗震性能與抗風性能。設計中將核心筒剪力墻進行落地設計，并在建筑物外圍設置了一定厚度的L型剪力墻，這樣可以借鑒獨立框支角柱的問題，還可以保證剪力墻的落地數量，協調轉換層上下結構的剛度比。

但是在具體的設計中，還面臨了一定的問題。這是因為本工程的結構原本就較為復雜，再加上使用了箱形轉換層，更是增大了設計可行性的難度。如高寬比的設計，長寬比的設計可能會出現超限問題，不利于建筑達到預期的防震性能。為了能夠解決這些問題，保證建筑工程順利實施，設計人員通過計算分析等方式對箱形轉換層結構設計方案進行了全面優化。

2、計算軟件與計算模型

本工程采用SATWE和SAP2000軟件對結構整體進行計算分析，其中箱形轉換層作為一層考慮，頂、底板考慮面內變形和面外剛度影響，稱為計算模型A，箱形轉換層以下和以上各層結構設計以此模型計算結果為主要依據;同時，為使箱形轉換層內的腹板（肋梁）設計更安全，在SATWE軟件計算中，將轉換層視為一般的轉換梁結構（忽略箱形轉換層底板的有利作用），首層結構的層高取自該層柱底至箱形轉換層中部的距離，稱為計算模型B。箱形轉換層內的肋梁設計，依據兩個計算模型的結果比較，主要參考模型B的計算結果，轉換層上、下樓層的側向剛度比和等效側向剛度比也以此計算結果為準，以便與現行有關規范的側向剛度比規定相一致。設計中，對結構方案、主要構件截面尺寸，通過反復計算比較，進行優化調整。

3、結構設計優化

3.1結構計算周期、剪重比、扭轉位移比

結構計算周期偏短，主要是因為轉換層上部住宅部分剪力墻較多、轉換層下部因結構樓層剛度比要求而使構件截面尺寸（如墻厚）加大所致。結構扭轉為主的第一周期與平動為主的第一周期之比為0.63，不大于0.85，滿足規范要求。從結構振動形態看，本工程的結構平面置較均勻，平扭藕聯現象不顯著。

水平地震作用下，各層最小剪力系數、層間位移均滿足規范要求。考慮質量偶然偏心后，X向地震作用下，樓層內最大位移與平均位移之比均不超過1.20，多數在1.05左右;Y向地震作用下，大多數不超過1.35。

3.2樓層側向剛度比

按照樓層剪力與層間位移的比值計算轉換層與其上層的側向剛度比，X方向為0.867，Y方向為0.776，均大于0.5（轉換層要求）和0.7（一般樓層要求），符合規范規定。

因為本工程首層較高，彎曲變形明顯，按照高層規程計算轉換層上、下樓層的等效側向剛度比，X方向為0.44，Y方向為1.16，均不大于1.3，滿足要求。

3.3箱形轉換層計算和設計

本工程箱形轉換層的肋梁與頂、底板形成整體結構，肋梁與普通獨立梁的受力形態有所不同，但基本上仍是偏心受拉構件，按普通轉換梁計算頂、底的縱向鋼筋，并符合普通轉換梁的構造要求，其結果是偏于安全的，但腰筋的配筋量同時應符合計算模型A的水平分布鋼筋要求。肋梁計算配筋普遍不大，除個別梁段外，縱向鋼筋配筋率均不超過1%，抗剪配筋基本為構造要求。肋梁頂、底部縱向鋼筋可采用工字形截面梁的配筋方式，翼緣寬度可取板厚的8-10倍（中梁）或4 ～5倍（邊梁），縱向鋼筋的70% -80%配置在翼緣中部1 /2寬度內。

另外，根據SAP2000的計算結果進行內力組合，計算轉換層頂、底板的配筋，X方向（水平方向）計算結果見表1.Y方向計算結果也有類似形態，本文從略。

表1 轉換層頂、底板配筋計算結果（X方向）

以上計算結果清晰地顯示：箱形轉換層是整體受力的，與普通梁式轉換層受力有較大區別。若為普通200mm樓板，在肋梁分割的板塊中，按局部彎曲計算則基本不需要計算要求的配筋，但箱形轉換層頂、底板按整體受力的偏拉或偏壓構件計算，仍需較大配筋。

4、箱形轉換層對框支柱的影響

通過SATVVE程序，分析結果進一步表明，箱形轉換層整體性較好，使得框支柱受力更均勻。為最終確定框支柱設計配筋，詳細分析了SAP2000程序的計算結果，按我國規范規定，要求框支柱承受至少20%的基底剪力，從而計算出框支柱地震剪力調整系數（X方向為7.93倍，Y方向為15.17倍），最后再按我國規范的規定進行內力組合、內力調整和截面配筋設計。在對計算結果反復對比研究、分析、判斷后，綜合確定了框支柱的截面配筋。

5、結束語

總之，在通過詳細的計算分析和設計優化后，本工程最終得到了結構性能較為良好的箱形轉換層結構，其受力分布較為均勻，很好的解決了建筑的上下受力問題，并且要比普通的梁式轉換層效果更好，設計更方便，結構更安全。但若干，在框支剪力墻的柱設計中，一定要充分考慮到空間的整體作用，對設計方法進行比較分析，最終設計出優秀設計方案。本工程的箱形轉換層結構設計方法可以供同類工程的設計人員借鑒參考。

參考文獻：

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