帶轉換層的高層建筑結構設計與分析概述

趙海杰

(南京城鎮建筑設計咨詢有限公司，江蘇 南京 210000)

帶轉換層的高層建筑結構設計與分析概述

趙海杰

(南京城鎮建筑設計咨詢有限公司，江蘇 南京 210000)

本文主要是介紹了了結構轉換層常見類型及受力機理、轉換層在高層建筑中的布置及設計原則以及帶轉換層高層建筑結構抗震性能，并總結了高層建筑結構轉換層設計時應注意的問題，最后介紹了新型轉換層結構，以解決轉換層建筑結構的不同問題。

高層建筑 結構轉換層 抗震性能

1. 概述

高層建筑結構的下部樓層受力比上部樓層受力較大，所以結構布置通常是下部剛度大、墻體多，但是這樣的布局和建筑功能對空間的要求不一致，所以為了能夠保證建筑功能的使用，要在結構轉換的樓層上設置水平轉換構件，這就是轉換層結構。

2. 結構轉換層常見類型及受力機理分析

結構轉換層的類型主要有以下幾種：

（1）梁式轉換層，也就是上部剪力墻在框支梁上，框支梁由框支柱來支撐的結構受力體系。其優點是傳力途徑明確、傳力直接、構造簡單、設計計算簡單等，在實際工程中運用最為廣泛，常用于底部大空間的框支剪力墻結構體系。

（2）箱式轉換層，當一層樓板的剛度不符合理論假設時，在轉換梁梁頂和梁底同時設置一層樓板，從而形成一個箱形梁，即為箱式轉換層。其優點是約束強、剛度大、上下部傳力均勻等，但是其施工復雜并且造價高。

梁式轉換層的受力機理分析：梁式轉換層結構的是以墻—梁—柱的形式傳力，轉換大梁的受力主要來自于上部剪力墻剛度、剪力墻與轉換大梁的相對剛度、轉換梁和下部支撐結構的相對剛度。經過計算發現，只要轉換大梁上部墻體長度足夠，轉換大梁的彎矩相較于不考慮上部墻體作用的情況下小，同樣地轉換大梁也會出現一定范圍的受拉區。主要原因有兩個，一是轉換大梁位于結構整的受拉區，二是轉換梁受到上部墻體豎向力作用時形成了的傳力方式。以下是轉換大梁受力機理示意圖。

3. 轉換層在高層建筑中的布置及設計原則

3.1 轉換層在高層建筑中的布置原則

轉換層的布置較為靈活，只要根據建筑功能和結構傳力的需求，沿著高層建筑高度的方向靈活布置，并且自身的空間也可以成為使用樓層或是技術設備層，前提是轉換層具有足夠的剛度。如果建筑物較高柔，整體剛度不夠，可以將轉換層與加強層或是設備層綜合考慮。如果建筑物大底層上部為多塔的情況，塔樓的轉換層要設置在裙樓的屋面層。

3.2 帶轉換層的高層建筑結構設計原則

轉換層不利于結構抗震，所以轉換層結構的設計要遵循一定的原則：

（1）在設計中考慮上下層剛度比小于或等于2，最好為1，以保證結構豎向剛度的變化不大。

（2）盡量減少需結構轉換的豎向構件。

（3）保證轉換層具有一定的剛度。

（4）將框支剪力墻與落地剪力墻的比例控制在一定的范圍內。

（5）轉換層以上的剪力墻和柱子要對稱布置，梁上立柱設置在轉換梁跨中。

（6）轉換層結構在高層建筑豎向位置要盡可能地低，如果設置在高處不利于抗震設計。如果必須要設置在高處，要采用高位轉移，并控制好轉換層下部框支結構的等效剛度。

（7）盡可能地強化轉換層下部主體結構剛度，弱化轉換層上部主體結構剛度。另外還要注意兩個問題，一是注重抗震第一道防線的筒體的安全設計，二是在增設剪力墻時要注意整體剛度是否均勻分布。

（8）全面準確地計算帶轉換層結構。將轉換結構看作是整體結構的一部分進行三維空間整體結構計算分析，然后用有限元方法對局部進行計算。轉換結構要取至少兩層結構進行局部計算模型。整體結構計算至少要取兩個力學模型的程序進行抗震計算，還要進行行彈性時程分析計算。

4. 帶轉換層高層建筑結構抗震性能

帶轉換層的剪力墻結構是目前工程的主要結構形式，并且轉換層位置日益提高。對于帶轉換層的剪力墻體和筒體這兩種轉換結構，影響其抗震性能的因素主要有轉換層結構與其上層結構側向剛度比、轉換層高度、轉換層上部與下部結構等效剛度比。

對帶轉換層筒體結構的影響因素主要有轉換層上部外筒的剛度、轉換層高度等，在設計的時候要注意控制轉換層上部與下部結構等效剛度比，盡可能地使值達到1，但是不能大于1.3。

5、高層建筑結構轉換層設計時應注意的問題

（1）確保大空間層具有一定的剛度，并且將轉換層上下結構側向的剛度比控制在一定的范圍內，等效側向剛度控制在1.0—1.3之間。

（2）采用厚度為200mm的現澆混凝土樓板，并且轉換層下一層樓板選用厚度為150mm的樓板，結構布置要對稱，加強薄弱部位樓板的厚度和配筋。

（3）結構層間的位移角要控制在標準的范圍內，基底剪力和重力荷載要滿足抗震需求。

（4）提高框支剪力墻轉換層以下豎向構件的配筋率。

6、新型轉換層結構

6.1 搭接柱轉換結構

6.1.1 設計原則

將轉換柱作為轉換結構，其優點是混凝土用量少、自重小，建筑空間可以得到充分利用，上下層剛度比較小。需要注意的是搭接柱上方樓蓋是薄弱部位，所以要加強其剛度。

6.1.2 搭接柱轉換結構的工作原理

搭接塊相連樓蓋梁板的承載力和軸向剛度控制是搭接柱轉換結構安全性和可靠性的保障。樓蓋梁板的承載力和剛度足夠之后，次內力和搭接柱變形就會得到控制，所以搭接塊相連樓蓋梁板的承載力和軸向剛度控制是關鍵。

6.1.3 貫通落地筒體-框架結構工作特性

框架柱搭接轉換的根本是弱化框架抗側作用，以加強核心筒體的抗側作用，所以核心筒體作為最主要的抗側力構件，要保證其承載力、延性和截面尺寸。當筒體從上到下緩凝土強度等級發生變化，并且截面尺寸及配時，變化會延伸到搭接柱區段上一層，并且要減弱搭接柱轉換引起的局部剛度退化的影響，確保整體結構的抗震承載能力沒有發生較大的變化。

6.1.4 搭接柱轉換結構計算分析

主要可以采用SATWE、PMSAP等軟件進行計算分析。

6.2 其他新型轉換結構

6.2.1 斜撐轉換結構的優越性

其優點有傳力路徑明確、受理方式合理、剛度比變化幅度不大等，所以在水平地震作用下，可以減小結構層間剪力和構件內力的變化幅度。

6.2.2 寬扁梁轉換結構的優越性

其優點有有利于建筑設備的使用、降低轉換層高度、對建筑功能的使用影響不大、轉換梁的受力作用較大等。可以根據建筑功能的需要，選擇合適的結構轉換層不僅可以降低造價，還可以更好地表現出建筑的美。

7、結論

（1）因為現代建筑的功能多樣，所以在轉換層結構設計中要根據現場條件和工程實際做好計算和分析，綜合考慮各種因素。

（2）轉換層結構的高層建筑受理復雜，所以要采取科學有效的結構，特別是在地震帶，轉換層結構可以解決復雜平面和體型轉換。

（3）轉換層結構的高層建筑要經過計算之后，嚴格按照相關標準進行結構設計。

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TU7

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1007-6344（2015）11-0121-01