帶轉換層高層轉換構件設計及抗震性能研究

黃文生

1 引言

現階段，隨著我國建筑行業的不斷發展，由傳統的大規模校區開展逐漸發展為小規模的幾棟建筑物組團開發的形式，由原本單純的住宅加公共配套設施轉變為商業和住宅一體化的模式。為了適應這種轉變的需要，要求建筑物商業的部分跨度、高度更大，靈活性更高，住宅的部分要求具有更加明顯的分區，保證各套住宅之間的獨立性。因此，帶轉換層高層建筑受到人們的廣泛歡迎。

2 轉換層概述

轉換層是指設置轉換結構構件的樓層，包括水平結構構件和下部的豎向結構構件，不僅包括轉換樓板、轉換梁等水平構件，也包括以下的框架柱和剪力墻等構件，圖1為轉換層示意圖。

圖1 轉換層示意圖

現階段，將轉換層分為梁式轉換、厚板轉換和桁架轉換三種形式。

（1）梁式轉換層。該形式因其設計難度較低、梁式轉換受力較為明確，是高層建筑中較為常用的一種轉換層類型。當轉換層的上下結構布置較為規整，且上部結構豎向構件和下部結構豎向構件的軸線相互重合或者非常相近時，采用梁式轉換。

（2）厚板轉換層。厚板轉換是指將上部塔樓的豎向構件直接支承在厚板上，運用該種方式使得上部的塔樓結構設置更加靈活。適用于豎向結構錯位較大的情況。

（3）桁架轉換層。桁架轉換層的受力情況和梁式轉換相似，是加強版的梁式轉換，當所要支承構件的中心線和上弦桿的中心線錯位較小時，可采用桁架轉換。桁架轉換也分為多種形式，例如鋼桁架、斜桿桁架以及空腹桁架等，具有良好的抗震性能。

3 工程概況

某高層建筑總高度為98m，其中包括住宅23層和裙樓4層，A塔和B塔采用對稱設計。塔樓的主要用作住宅，為了保證塔樓住宅的規整性、私密性和視覺效果，采用純剪力墻結構。裙樓主要用于商業活動，為了滿足商業靈活性的需要，應該設置成大開間，采用純框架結構。為了實現塔樓和裙樓結構之間的轉換，應該在該高層建筑中設置轉換層，根據相關標準和要求，將該高層建筑的轉換層設置在第五層的位置。

4 帶轉換層高層轉換構件設計

4.1 轉換梁設計

從受力方面來說，轉換梁和一般的框架或者次梁之間具有本質的區別。根據構件的分類可知，一般梁分為壓彎構件，即主要承受壓力和彎矩。在建筑結構方面，框架梁的主要作用是和框柱形成一個整體，從而進行傳導荷載，次梁主要用于承受上一層樓的墻體荷載。

轉換梁的主要作用是支承上部的結構構件，并不是形成框架或者承受砌體墻荷載。該工程的轉換梁主要承受上方剪力墻直接傳遞來的線荷載，也可以看作是集中力。所以轉換梁的荷載并不是彎矩，而是剪力。轉換梁的彎矩圖較為接近直線，與一般梁彎矩圖的曲線不同，十分接近簡支梁在集中荷載作用下的彎矩圖的形狀。

該工程轉換層以上的住宅為23層，轉換梁承受較大的荷載，因此，應該通過增加梁高和梁寬度的方式，不斷的提升其承載力。該工程上部的剪力墻支承在轉換梁上，在支承的附近有較為明顯的應力集中現象，最大內力出現在支承處和支座位置。因此，本工程在建立完成梁式轉換層以后，在構件錯位處布置好剛性桿，然后調整相應的參數，將相應的樓層設置為轉換層后，將相應的梁設置成轉換梁后，通過相應的軟件進行計算即可。

4.2 轉換厚板設計

若本工程采用轉換厚板設計，那么相對于梁式轉換來說，具有更高的復雜性。這是由兩個方面的原因決定的：①由于在進行有限元分析時，混凝土樓板較混凝土梁更加復雜；②厚板轉換本身的受力不合理，傳力路徑比梁式轉換更加復雜。因此，本文對轉換厚板設計從以下三個方面，進行簡要的分析。

（1）進行有限元分析，通過對只計算自重、附加恒載以及活載時的撓度值，分析和判斷模型的準確性。

（2）利用結構設計軟件，對厚板抗沖切、剪切等問題進行復核。

（3）通過進行建模分析，對樓板最大的應力和應變值進行復核，判斷其是否超過應力和極限應變。

5 抗震性能研究

5.1 地震的成因

地震的成因分為構造地震和非構造地震兩種，構造地震就是指由于地區內部的巖層構造發生錯動而產生的地震，地球響超過90%的地震都是構造地震。非構造地震是指由于火山爆發、巖層坍塌或者抽水注水等引起的地震，該種地震發生的頻率較小，影響范圍相對構造地震來說也較小。本文主要研究構造地震下的帶轉換層高層建筑的抗震性能。

5.2 地震波、震級和烈度

5.2.1 地震波

地震波是指從震源位置產生并向四周輻射的彈性波，當地震發生以后，震源區的介質將會發生急速的破裂和運動，這種波動現象將會形成一個波源。受到地球介質連續性的影響，這種波動會向地球內部和表層的各個方向傳播，從而形成彈性波。根據傳播方式，將地震波分為縱波、橫波和面波三種，縱波是推進波，在地殼中的傳播速度為5.5～7km/s，會使地面發生上下振動，破壞性不強。橫波是剪切波，在地殼中的傳播速度為3.2～4.0km/s，使地面發生前后左右的抖動，具有將強的破壞性。面波是縱波和橫波在地表相遇以后形成的混合波，是導致建筑物強烈破壞的主要因素。

5.2.2 震級

震級是指地震規模的大小，地震越大，震級的數字越大，現階段世界已知的最大震級為9.5級。震級和烈度不同，震級表示地震本身的強弱，與震源發出的地震波能量相關，震級越大的地震，釋放越多的能量，震級越小的地震，釋放的能量較小。我國一般采用里氏震級，小于2.5級的地震為小地震，在2.5～4.7之間的地震稱為有感地震。震級每相差1.0級，能量相差大約30倍。

5.2.3 烈度

地震烈度是指地震對地面和房屋建筑物受到影響的破壞程度。同一地震，不同地區受到地震影響的破壞程度不同，地震的烈度也不相同。可以根據人的感覺或者物品的振動破壞情況，判斷烈度的大小。一般情況下，距離震源越近，破壞絕大，烈度較大。

5.3 抗震設計基本要求

對于地震烈度大于Ⅵ度的地區，應該根據《建筑抗震設計規范》進行抗震設計，在確定抗震設計標準時，如果標準較高，將會提升建筑物的造價，如果標準較低，將會導致建筑物的安全性不夠。因此，我國利用根據建筑物的重要性分類以及三水準設防和來那個階段設計的抗震設計基本要求。三水準是指小震不壞、中震可修和大震不倒。

（1）在第一水準小震不壞烈度下，建筑結構處于正常的使用狀態。

（2）第二水準中震可修的烈度為基本烈度，在此種情況下，建筑結構處于非彈性工作階段，需要在可修復范圍內。

（3）第三水準大震不倒，為罕遇烈度，在此種情況下，建筑結構具有較大的非彈性形變，但不會出現倒塌。

通過以上分析可知，在建筑結構的中間位置設置轉換層以后，建筑結果的豎向構件被打斷，上部的荷載必須先傳遞到轉換層的構件之上，再通過轉換層構件向下傳遞，傳力不合理。因此，必須做好該高層建筑的大震彈塑性變形驗算。

5.4 抗震性能研究方法分析

現階段，存在以下三種建筑物的抗震性能分析研究方法：①小震和中震彈性分析，也稱為反應譜分析法。②大震彈塑性分析的靜力彈塑性分析方法，也成為精力推覆分析法。③大震彈塑性分析的動力彈塑性分析方法。一般的建筑物只需要采用第一種方法，即反應譜分析法，對于高度較大且豎向和平面布置不規則的建筑，不僅應該采用第一種反應譜分析法，還應該進行大震彈塑性分析的靜力或者動力彈塑性分析方法。

6 結束語

綜上所述，隨著現代建筑行業的不斷發展，帶轉換層高層建筑將會越來越普遍，這對轉換層的設計提出了更高的高求。對此，本文分析了帶轉換層高層轉換構件設計及抗震性能的研究分析，為帶轉換層高層建筑的設計提供了一些建議。

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