高层建筑转换层结构设计探讨

　　摘要:现代多功能高层建筑常常设置转换层，大震作用下，易形成薄弱层，转换层位置较高时，转换层下部落地剪力墙及框支结构易开裂和屈服，上部墙体易于破坏，从而不利于抗震。本文根据实际工作经验,结合工程实例，探讨了高层建筑整体结构设计和局部构件设计,具有一定的参考和借鉴意义.
　　关键词:高层建筑；转换层;结构设计
　　0前言
　　工程中，为了满足建筑艺术造型及其不同使用功能的需求，现代多功能高层建筑常常设置转换层，沿竖向划分为不同区段，例如底部墙少柱多，用于商业、大空间厅堂、交通通道；上部墙多柱少，用于酒店客房、住宅等。现在转换层的位置也在逐步提高，一般设在3-6层，有的设在7-10层。带转换层结构特点是竖向构件不连续，通过转换构件实现上下构件的过度，竖向刚度、内力在转换处突变。大震作用下，易形成薄弱层，转换层位置较高时，转换层下部落地剪力墙及框支结构易开裂和屈服，上部墙体易于破坏，从而不利于抗震。《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)(以下简称《高规》)对此类结构设计作了专门规定。本文以实际工程为例，探讨带局部转换层的高层建筑结构设计方法。
　　1工程概况
　　长沙市某大楼，体系类型采用现浇剪力墙结构，建筑面积22519.97m2，总建筑层数33层，层高2.95m。裙房4层，地下2层，地上31层，底部2层为跃层式商业门面。由于建筑造型和功能上的要求，建筑1至4层的一端设置大厅，需在第4层顶面位置设置局部转换构件(标准层与转换层平面布置图见图2和图3)，转换层以上为剪力墙结构，以下为框架一剪力墙结构。转换形式选为梁式。
　　
　　图2标准层平面布置图
　　
　　图3转换层平面布置图
　　本工程属丙类建筑，设计基准期50年，地震设防烈度6度，地震分组为第I组，地震加速度0.05g，场地类型Ⅲ类，结构重要性系数1.0，特征周期0.45S,基本风压值取100年一遇0.45kN/m2,地面粗糙度类别为C类，建筑高度级别A级。
　　2整体结构设计
　　2.1抗震等级确定
　　本工程转换层以上为剪力墙结构，以下为框架-剪力墙结构，是多种结构形式并存的复杂高层建筑，不能像单纯的框架结构、剪力墙结构或框架一剪力墙结构那样统一确定抗震等级，而应根据现行规范不同章节的规定，并考虑该工程自身的特点，有针对性地分别确定不同部位不同构件的抗震等级。建筑高度97.35m,6度设防，根据《高规》表4.8.2，框支框架抗震等级应为二级，底部墙加强部位二级。考虑到工程具体情况，并根据加强底部的原则，转换层及以下层的框架梁抗震等级确定为一级.剪力墙及框支柱抗震等级为一级，局部转换及相邻一跨的剪力墙、框支柱、转换梁抗震等级为一级，转换层以上加强部位剪力墙、梁为一级，非加强部位剪力墙、梁为三级。
　　2.2竖向结构设计
　　为保证转换层上下主体结构侧向刚度尽量接近、平滑过渡，须把握强化下部、弱化上部的原则。本工程与建筑专业协商后，采取的主要措施有:(1)转换层楼板加厚至180mm，转换层上下层各加厚至150mm(其余楼层120mm)，以增强楼板刚度；(2)使尽可能多的上部剪力墙尤其是边缘剪力墙落地；(3)底部剪力墙增大厚度取为400mm(上部墙体厚度分段为350mm到200mm)，并尽量减少开洞；(4)底部剪力墙、柱的混凝土强度等级提高为C60(上部混凝土强度等级分段为C50到C30)；(5)由于局部转换部位靠近该建筑一端，将该端设置为筒体予以加强。
　　采用上述几种方法，利用SATWE和ETABS计算程序分别建模，进行整体结构分析后，程序均未发现薄弱层，且转换层上部与下部结构的等效刚度比的SATWE计算结果为:X方向为0.4960，丫方向为0.3621。满足《高规》附录E的要求，说明结构竖向刚度过渡平稳，竖向结构设计合理。
　　2.3平面结构设计
　　该工程总体平面体型简单，基本规则、对称，长宽比接近2.0。为了增强结构抗扭性能，除核心筒体外，剪力墙在平面内分散、对称且尽量沿周边布置。整体计算后，各层最大水平位移与层间位移比值均小于1.4，以扭转为主的第一自震周期与平动为主的第一自震周期之比为:1.8643/2.7353=0.682(SATWE),1.6695/2.4665=0.677(ETABS)，满足《高规》4.3.5条关于平面布置与控制扭转的要求。
　　3局部构件设计
　　3.1框支柱
　　为贯彻强柱弱梁的原则，必须保证框支柱具有足够的安全度和延性，本工程框架柱设计除按照规范要求设计外，还采取了以下措施:(1)轴压比控制在0.65以内(角柱0.55)；(2)兼作剪力墙端柱的框支柱，保证其满足规范关于约束边缘构件的设计要求；(3)计算程序考虑转换层楼板平面内刚度；(4)与业主协商，边缘框支柱在转换层处向上延伸一层。该措施显著减小了边缘框支柱在转换大梁处的弯矩和剪力，其原因见图4，原本由转换梁下单根边缘框支柱分配内力(MB=MC)，柱向上延伸一层后，改变为由上下两根边缘框支柱共同分配，上面框支柱为暗柱(MB=Mc1+Mc2)，由此Mc1<MC，从而使边缘框支柱顶端截面内力显著减小。
　　
　　图4框支柱向上延伸一层后内力分配变化图
　　3.2框支梁
　　该工程中，根据建筑设计要求确定上部剪力墙的布置，对转换梁的构件尺寸进行试算调整，且参考文献[1]的建议:框支梁断面按构造要求可确定为梁宽不小于2倍的上部墙厚和400mm,梁高为1/6倍的框支梁跨度，最终框支梁截面尺寸定为950mm×2500mm。由于框支梁截面尺寸大，梁高接近建筑层高，其内力传递和分布也非常复杂。本工程对框支梁利用ANSYS软件进行有限元二次分析，研究其内力分布状态。模型包括转换梁以上三层墙体。荷载由整体计算结果查得.竖向荷载作用下其内力传递情况如图5和图6所示。
　　
　　图5框支梁上竖载传递
　　
　　图6框支梁内力分部
　　分析结果表明，转换梁顶端沿跨长压应力分布极不均匀，其梁端应力水平远远大于跨中，转换梁顶端应力集中现象十分严峻。梁内应力传递形成“斜压拱”，且跨中截面梁底拉应力较大，顶端虽受压，但数值很小，约为低端拉应力水平的1/20,属于典型的大偏心受拉构件.横断面剪应力水平也相当大。
　　本工程利用ANSYS程序分析了竖向荷载作用下转换梁的受力状态，考虑到竖横向荷载共同作用，其配筋仍采用SATWE和ETABS的整体计算结果，并且为了留有足够的安全余地，将钢筋用量再放大30%。钢筋具体布置根据ANSYS有限元分析的应力分布结果，在施工图中作特别说明，纵向主筋上下配足，腰筋在梁底部布置多一些，使转换梁形成“拉杆拱”式受力机制。同时注意强剪弱弯的原则，箍筋配置充足，全长加密，以防止剪切破坏。
　　4结束语
　　4.1带局部转换层的高层建筑结构设计，必须首先从整体上做好概念设计。根据结构具体情况，不同部位的不同构件应按照规范不同章节确定其抗震等级。整体设计阶段最好选用两个结构计算软件进行比较分析，建立可靠的计算模型，分析、评判结构总体受力特点，修改、优化整体结构布置。
　　4.2转换部位不仅包括竖向荷载转换和水平荷载转换，二者又分别包括荷载的平面内转换和X、Y方向的多维转换。该部位构件与其他常规构件相比，尺寸庞大，应力集中且分布复杂，在整体计算控制的前提下应进行必要的局部应力分析。
　　4.3框支柱顶端内力一般较大，有时难以满足规范设计要求，此时可以采取加掖或向上延伸一层的方案处理。若建筑限制，则可采取:能伸到上部墙体的柱内钢筋，在柱顶不予截断，尽量向上伸到墙内1-2层，以形成暗柱，缓解框支柱顶弯矩和剪力。亦可采取芯柱或劲性骨架柱。
　　4.4框支梁是上下层荷载传递枢纽，设计中应留有足够的安全储备。弹性有限元分析后发现，其受力类似深梁，内部传力机制接近斜压拱，梁端顶部局部应力集中现象严重。钢筋布置应尽量使腰筋在下部多些。箍筋起吊杆作用，应全长加密。建议转换大梁所有钢筋用量，由程序计算出来后再放大30%-40%(截面尺寸大，一般不会超筋)。同时尽量选取大直径钢筋，并保证钢筋净距不小于40mm，以便保证混凝土浇筑质量。
　　
　　参考文献:
　　[1]徐培福.复杂高层建筑结构设计[M].中国建筑工业出版社.
　　[2]JGJ3-2002，高层建筑混凝土结构技术规程[S].
　　[3]张志豪.论高层建筑工程中转换层结构设计的运用[J].建筑与规划设计.2008.121:38-39.       论文发表