高层建筑箱形转换层结构设计的实践与体会

摘 要：本文结合工程实例，对工程整体结构采用ANSYS软件进行有限元分析，并将ANSYS软件计算结果和SATWE软件计算结果进行比较，总结了箱形转换层的整体空间工作性能和转换层上下盖板的有利作用，明确了采用箱形转换层的整体优势，可为今后类似工程设计提供借鉴。

关键词：箱形转换层；计算分析；结构设计；抗震设计

前言

箱形转换层结构形式是单向、双向托梁与上下层楼板之间共同工作情况下形成的，其整体性能较好，在上下层结构布置过程中，具备有效的传力。当上下柱网、轴线错开较多，难以用梁直接承托时，可以做成箱形转换层。但是，箱形转换层结构计算分析比较复杂，目前规范 对箱形转换层具体的分析计算方式等也并未明确。本文就结合实例，对箱形转换层的结构设计进行详细分析，仅供同行参考。

一、工程概况

本工程为地下1层，地上25层，平面布置基本左右对称，总建筑面积为14542.6。该楼平面长度为49.5m，平面典型宽度为13.2m，底层为商铺，层高5.5m，上部为普通住宅，标准层层高2.8m，建筑高度为74.3m，高宽比5.67。该工程整体结构设计采用剪力墙-部分框支剪力墙结构体系，转换层位于2层楼面。根据该工程特点，结合建筑底层商铺净高要求，转换结构构件采用高度为1800mm的箱形转换结构。

该楼主体结构主要构件尺寸为：落地剪力墙厚400mm（端柱800×800），转换梁截面为800×1800mm（局部600×1800），上部剪力墙厚均为200mm。混凝土强度等级为C30～C50。转换层结构平面图如图1所示：

二、设计依据和设计计算参数

本工程建筑场地类别为Ⅲ类场地。本建筑结构的设计使用年限为50年，建筑结构的安全等级为二级。建筑耐火等级地面以上为二级，地下室为一级。抗震设防烈度为6度，对应于设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第一组。本工程框支柱的抗震等级为一级，框支梁及转换层框架梁的抗震等级为二级，框支剪力墙抗震等级为二级。一般剪力墙抗震等级底部加强部位为三级，非底部加强部位为四级。本工程基本风压取0.5kN/（按100年重现期的风压值采用），风荷载体型系数为1.4，地面粗糙度类别为B类。

三、箱形转换层结构的有限元分析

3.1 ANSYS和SATWE整体计算分析

（1）结构模态分析和周期、振型。利用ANSYS软件对整体结构进行模态分析，得到结构前6阶自振周期如表1所示。其中结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比，ANSYS计算结果为0.84，SATWE计算结果为0.82，均小于规范 要求的0.85。

（2）恒载作用下结构变形分析。在竖向荷载作用下，结构整体竖向位移呈盆形，自下而上逐渐增大；而框支层结构变形不大，且比较均匀。由此可见，箱形转换层整体性较好，转换构件刚度较大，即使采用受力较复杂的框支主次梁体系，其整体结构的变形仍较均匀。根据变形协调原理，转换层上下结构变形也比较平缓，因此转换层附近的结构构件的受力性能得到了一定程度的改善。

（3）风荷载及地震作用下结构位移、层间位移角见表1。由图可知，在地震作用下的顶部最大位移及层间最大位移角小于风荷载作用下的，两者均满足高规 限值1/1000的要求，同时也表明在6度设防区，高层建筑的最大位移主要由风荷载控制，地震荷载不起控制作用。

（4）转换构件内力分析。考虑箱形转换层上下盖板作用后，转换梁自身所承受的弯矩有较大幅度的减小，箱形转换层的箱体对转换梁弯矩的分担起到明显的作用，上下盖板与转换梁组成的工字形截面的抗弯能力比普通的转换梁有较大幅度的提高。由于上下楼板的共同作用，箱形转换层的整体性能较好，转换梁的整体抗剪能力得到提高，转换梁分担的剪力也相应地略为增大。

3.2 ANSYS与SATWE整体计算结果对比分析与结论

（1）对于转换梁的弯矩计算结果，ANSYS计算比SATWE计算出来的结果明显减小，而转换梁的剪力两者计算结果基本一致，ANSYS计算略大一点。

（2）结构整体设计指标（周期、振型、剪重比、刚重比、楼层位移、层间位移角等）两者基本相同，均满足规范 要求。

（3）与ANSYS整体计算结果相比，SATWE整体计算所得的箱形转换梁弯矩较大，直接用于设计是偏安全，有条件时可进行补充计算，避免造成不必要的浪费和可能的安全隐患。

四、本工程结构设计要点分析

4.1 保证主体结构的延性和竖向刚度

通过严格控制框支层上下构件轴压比以及箍筋全高加密，改善主体结构的延性。此外，两侧转角窗下落墙处采用长肢墙，增加两侧的竖向刚度，提高建筑物整体抗扭能力。框支柱部分纵筋延伸至框支梁以上的墙体内，以加强上下层的可靠连接。

4.2 严格控制转换梁剪压比

严格控制转换梁剪压比，以确保转换梁的截面尺寸，转换梁斜截面受剪承载力主要由混凝土和箍筋承担，作为安全储备，水平腹筋的作用不予考虑。此外，转换梁截面宽度适当加大，支承转换次梁的转换主梁应特别加强其平面外刚度，提高抗扭承载力，改善整体结构受力性能。本工程转换梁跨高比较小，其受力性能类似于深梁，因此转换主、次梁沿梁高方向配置 20@100水平腹筋，以加强其整体受力性能和平面外刚度。

4.3 采取适当构造措施保结构整体性

转换层以上两层墙体，按约束边缘构件的要求进行配筋设计，墙体洞口边设置翼缘墙、端柱或适当加厚，尽量避免无连梁相连、延性较差的秃头墙。

结束语

本工程采用箱形转换层结构解决了上部刚度和下部使用空间的双重要求，目前工程已竣工三年多，建筑使用正常，质量安全可靠，为同类工程提供了理论和实践依据。

参考文献

[1]GB50010―2010，混凝土结构设计规范[S].

[2]JGJ3―2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[3]JGB50011―2010，建筑抗震设计规范.

[4]荣维生，王亚勇，谢益人等.高层箱形转换结构上、下楼板和转换梁共同工作分析[J].建筑结构，2008，38（12）.