高层建筑梁式转换层结构抗震设计研究

摘要：高层建筑抗震设计至关重要，梁式转换层结构作为目前高层建筑常用的垂直转换形式，探讨其在高层建筑中的抗震设计意义重大。本文结合一工程实例，介绍了工程概况与结构设计参数，阐述了梁式转换层结构的布置，计算分析了梁式转换层结构层侧向刚度比。

关键词：梁式转换层；高层建筑；抗震设计

梁式转换层结构是目前高层建筑中实现垂直转换最常见的结构形式，由于其传力途径采用柱（墙）――转换梁――墙（柱）的形式，具有传力直接、简单、明确的特点，同时因转换梁受力性能好、稳定可靠、构造简单、便于计算分析、施工方便、造价节省的优点，梁式转换层结构在工程实际中运用较为广泛。本文以某高层住宅建筑工程为例，探讨梁式转换层结构在高层建筑抗震设计中的应用。

1．工程概况

某高层住宅项目规划用地面积5081.5m2，建筑总面积30655.6m2。地上部分为29层，地下部分2层。地上部分由裙楼连接两个塔楼构成，裙楼顶板以上设置伸缩缝将两座塔楼分开。建筑总高度91.5m，其中1-2层为裙楼，1层层高6.0m，用于架空层与管理用房；2层层高4.5m，用于商业开发铺面；3-29层为标准层，层高3.0米，均是住宅。地下部分为设备用房与地下车库，每层层高3.5m。工程结构形式采用框支剪力墙结构。

2．工程结构设计参数

2.1建筑参数

表1 建筑参数

地上部分层数 地下部分层数 裙楼层数 建筑高度

29层 2层 2层 91. 5m

高宽比 结构安全等级 结构使用年限

4. 5 2级 50年

本工程建筑高度91.5m，小于100m，属于《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）（以下简称《高规》）规定的A级高度钢筋混凝土结构高层建筑。且高宽比4.5小于6.0，满足《高规》中规定的高层建筑结构最大高宽比要求。

2.2地震参数

表2 地震参数

抗震设防类别 抗震设防烈度 抗震设计分组 设计基本地震加速度

乙类 8度 第一组 0.106

2.3风荷载参数

表3 风荷载参数

50年一遇基本风压 100年一遇基本风压

0.70KN/m2 0.90KN/m2

根据《高规》，风荷载取值规定：（1）计算结构在风荷载作用下水平位移时，风荷载值取50年一遇的基本风压值；（2）计算结构承载力时，风荷载值取100年一遇的基本风压值。

2.4结构抗震等级参数

根据《高规》中表4.8.2规定，本工程框支柱、框架柱、框架梁、剪力墙的抗震等级参数设计如下：

表4 结构抗震等级参数

框支柱、框架柱、框架梁 剪力墙

2-29层 2级 2级

地下1层-地上1层 1级 2级

地下2层 3级 2级

剪力墙截面高度与厚度之比不大于8的短肢剪力墙提高一级，按一级抗震等级采用。如剪力墙厚度不小于300mm，且层高与剪力墙截面高度之比大于4的剪力墙，仍视为一般剪力墙，其抗震等级亦按一般剪力墙的抗震等级采用，连梁抗震等级同与其相连之剪力墙。

3．梁式转换层结构布置

梁式转换层结构在高层建筑中布置时应满足以下要求：（1）平面布置力求规则简单，对称均衡，尽量使水平荷载的合力中心与结构的刚度中心重合，避免产生扭转等不利影响。（2）剪力墙中心线宜与框支梁中心线重合，框支梁截面中心线宜与框支柱截面中心线重合，以避免荷载偏心产生不利影响，框支梁上一层墙体内不宜设边门洞，同时也不宜在中柱上方设门洞。（3）底部大空间必须有落地的落地筒体或剪力墙作支撑，落地剪力墙的数量不宜少于剪力墙总数的50%。通常可结合建筑平面，将剪力墙在楼梯间或电梯间处落地围成筒体，并对落地剪力墙和筒体底部墙体适当加厚。（4）落地剪力墙的间距应符合：不大于2倍楼盖宽度，且不大于20m。（5）落地剪力墙与相邻框支柱的间距，不宜大于12m。（6）转换层上部结构与下部结构的侧向刚度比应符合《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）附录E的规定。按规定本工程1-2层为框支柱层，上下层的侧向刚度比Y不应大于2。（7）框支柱层楼板不应错层布置。转换层及其上下层相邻楼层的楼板应适当加强。

根据本高层住宅建筑工程及地下室具体功能，转换层结构布置如下：

图1转换层结构布置图

4．梁式转换层结构层侧向刚度比计算分析

由于本工程梁式转换层结构上部住宅的剪力墙较多，而建筑底部是大空间，因此，部分剪力墙不能直接落地。并且此工程部分转换层层高较大，若设计中不加以注意，通常容易造成下部抗侧刚度远远小于上部的情况。为保证转换层下部大空间结构有适宜的刚度、强度、延性和抗震能力，应尽量弱化转换层上部主体结构、强化转换层下部主体结构的刚度，使转换层上、下主体结构的刚度及变形特征尽量相近。

目前在高层建筑结构设计规范中，对于带转换层的高层建筑结构，往往通过控制转换层上、下主体结构的抗侧刚度比来避免竖向刚度差异较大。规范对层侧向刚度比计算，主要有3种方法：（1）地震剪力与地震层间位移比；（2）剪切刚度；（3）剪弯刚度。这3种方法由于计算不同，得出的刚度比结果通常有差异，需根据实际工程做出合适选择。

计算方法1地震剪力与地震层间位移比是在《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）条文说明中提供的层刚度比计算方法。

计算方法2剪切刚度是在《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）附录E.0.1中提供的层刚度比计算方法，适用于底部大空间为1层的情况。《高规》附录E.0.1规定：当底部大空间为1层时，可近似采用转换层上、下层结构等效剪切刚度比Y表示转换层上下层结构刚度的变化；Y宜接近1，非抗震设计时不应大于3，抗震设计时不应大于2，按下列公式计算：

但是这种刚度比计算方法存在着一定的问题：（1）没有考虑竖向构件的布置问题，布置在中间的剪力墙和布置在的剪力墙对层刚度的贡献是不同的，抗侧刚度中弯曲刚度的作用是不可忽略的。（2）特殊结构布置情况下（如与剪力墙相连的框支柱，短肢墙，斜向布置的剪力墙等）剪切面积的取值不明确。

计算方法3剪弯刚度是在《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）附录E.0.2中提供的层刚度比计算方法，适用于底部大空间大于1层的情况。《高规》附录E.0.2规定：当底部大空间大于1层时，其转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比Ye，宜接近1，非抗震设计时不应大于2，抗震设计时不应大于1.3。按以下公式计算：

同时规定当转换层设置在3层及3层以上时，其楼层侧向刚度不应小于上部楼层侧向刚度的60%。以上公式综合考虑了抗剪刚度和抗弯刚度度层间侧移量的影响，考虑了竖向构件的布置问题，可适用于梁式转换层和绗架式转换层结构。

总言之，当Ye＜1时，结构的侧移曲线属于剪切形。此时转换层上部结构抗侧刚度小于下部抗侧刚度，结构布置合理。当Ye≥1时，结构的侧移曲线属于弯曲形。此时转换层上部结构抗侧刚度大于下部抗侧刚度，应控制Ye在合理范围内，并采取有效结构措施，避免因上、下部结构竖向刚度差异大带来抗震不利影响。

本工程采用以上3种方法计算层侧向刚度比，结果如下表5：

表5层侧向刚度比计算结果

转换层上部刚度 转换层下部刚度 上下侧向刚度比

地震剪力与地震层间位移比 RJX=4.5769E+06（kN/m） RJX=5.4675E+06（kN/m） 0.79＜2（满足规范要求）

RJX=7.0863E+06（kN/m） RJX=9.1059E+06（kN/m） 0.78＜2（满足规范要求）

剪切刚度 RJX=6.2764E+07（kN/m） RJX=3.1583E+07（kN/m） 1.91＜2（满足规范要求）

RJX=4.7365E+07（kN/m） RJX=2.0712E+07（kN/m） 2.34＞2（满足规范要求）

剪弯刚度 RJX=4.7631E+07（kN/m） RJX=2.8853E+07（kN/m） 1.65＜2（满足规范要求）

RJX=2.4023E+07（kN/m） RJX=1.3157E+07（kN/m） 1.89＜2（满足规范要求）

从计算结果可以看出：采用3种方法计算层刚度比，其结果差别较大。如本工程采用方法2剪切刚度来计算转换层上、下层刚度比，Y＞2不能满足《高规》要求，因此在具体实际工程中对转换层结构层侧向刚度比计算须选用正确的计算方法。本工程在地上2层顶转换，底部大空间层数为2层，按《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）附录E.0.2规定，应采用剪弯刚度计算层刚度比。从上述结果可知本工程转换层上下侧向刚度比通过剪弯刚度计算的结果Ye

5．结语

随着我国城市化进程的加快，城市用地愈加紧张，高层、超高层建筑在城市建设中逐渐普及，又由于我国部分城市是地震多发区，因此加强高层建筑的抗震研究显得尤为重要。本文探讨了梁式转换层结构在高层建筑抗震设计中的应用，认为选择合理的梁式转换层结构布置和选用正确的梁式转换层结构层侧向刚度比计算方法是前提。

参考文献：

[1]《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）[S].

[2]《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）[S].

[3]唐兴荣.高层建筑转换层结构设计与施工[M].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[4]朱炳寅.对转换结构的认识和把握[J].建筑结构――技术通讯，2008（9）：10-13.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。