高层建筑转换层结构设计实践

摘要：本文结合设计实例对梁式转换层结构设计进行了浅要的分析与探讨。

关键词: 梁式转换层设计要点设计要求

中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：

1.前言

在高层建筑设计中，为满足建筑使用功能需要，底部数层常设置为大空间，而上部标准层多为小开间，致使上层的部分竖向承重结构不能直接落地，需要设置结构转换。常用的转换形式为梁式。梁式转换层具有传力路径清晰快捷，工作可靠，构造简单，施工方便等优点，

是目前国内应用最广的转换层结构型式。

2工程实况

该工程共32层，地下2层,其中-1层为半地下室，地上裙房3层,1层、2层高为4.5米,3层层高均为5.5米，4~32层高均为3.0米,建筑物总高101.5m。该工程地下二层为车库及平战结合的六级民防地下室,地下一层为大卖场及车库,一～三层为商场,四～三十一层为高级公寓。建筑抗震设防类别:为丙类；抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度0.05g；设计地震分组为第一组；场地类别为Ⅱ类。转换层设在第三层楼面。采用中国建筑科院编制的2005版PKPM - SATWE程序进行计算。

3转换层型式的选择

各种形式转换层的优缺点详见表1。

表一

结合工程实际建筑布局情况,并考虑经济指标及施工难易程度,经过技术经济比较后,决定工程采用梁式转换层结构型式。

4结构设计要点

4.1设计原则

高层建筑中转换层的设置造成建筑物竖向刚度的突变，地震作用时在转换层上下容易形成薄弱环节，对结构抗震不利，故转换层结构在设计时应遵循以下原则：

⑴为防止沿竖向刚度变化过于悬殊形成薄弱层，设计中应考虑使上、下层刚度比γ≤2，尽量接近1。这样才能保证结构竖向刚度的变化不至于太大，使上柱有良好的抗侧力性能，减少竖向刚度变化，有利于结构整体受力。上下层刚度比计算式如式1所示。

γ=（Gi+1Ai+1hi）/（GiAihi+1） (式1) 式中：

Gi、Gi+1——第i、i+1 层混凝土剪变模量

A i 、A i + 1 —— 第i 、i + 1 层折算抗剪截面面积(A=AW+0.12AC)；

AW——在所计算的方向上剪力墙的全部有效截面面积；

Ac——全部柱的截面面积；

hi、hi+1——第i、i+1 层的层高。

⑵尽可能减少需结构转换的竖向构件，直接落地的竖向构件越多，转换结构越少，转换层造成的刚度突变就越小，对结构抗震更有利。

⑶设计中应保证转换层有足够的刚度，一般应使梁高度不小于跨度的1/6，才能保证内力在转换层及其下部。构件中分配合理，转换梁、剪力墙柱有良好的受力性能，能较好地起到结构转换作用。

4.2结构竖向布置

高层建筑的侧向刚度宜下大上小,且应避免刚度突变1然而带转换层的高层建筑结构显然有悖于此,转换层上下等效侧向刚度比宜接近于1,不应大于1.3。在设计过程中,应把握的原则归纳起来,就是要强化下部,弱化上部。可以采用的方法有以下几种:

(1)与建筑专业协商,使尽可能多的剪力墙落地,必要时甚至可在底部增设部分剪力墙(不伸上去) 。除核心筒部分剪力墙在底部必须设置外,还与建筑专业协商后,让两侧各有一片剪力墙落地1这些无疑都大大增强了底部刚度。

(2)加大底部剪力墙厚度。转换层以下剪力墙中,核心筒部分的厚度取为600mm,其余部分的厚度取为400mm。

(3)底部剪力墙尽量不开洞或开小洞,以免刚度削弱太大。

(4)提高底部柱、墙混凝土强度等级,采用C50 混凝土(框支柱采用C50混凝土) 。

(5)适当减少转换层上部剪力墙数目,控制剪力墙厚度,并可在某些较长剪力墙中部开结构洞(结构施工完毕后再用填充墙填实) ,以弱化上部刚度。弱化上部刚度不仅对控制刚度比有利,还可减轻建筑物重量，减小框支梁承受的荷载；增大结构自振周期,减小地震作用力。

表二

工程综合采用上述几种方法后,转换层上下刚度比在X方向为0.725,在Y方向为0.813,满足规范要求,效果良好。虽然上下部刚度比满足要求,但毕竟工程仍属于竖向不规则结构,转换层及其下各层为结构薄弱层,因而应将该两层的地震剪力乘以1.15的增大系数。

4.3结构平面布局

工程底部为框架- 剪力墙结构,体型简单、规则;上部为纯剪力墙结构。在剪力墙平面布置上,东西向完全对称,南北向质量中心与刚度中心偏差不超过2m,结构偏心率较小。除核心筒外,其余剪力墙布置分散、均匀;且尽量沿周边布置,以增强抗扭效果。查阅计算结果,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为0.85,各层最大水平位移与层间位移比值不大于1.3,均满足平面布置及控制扭转的要求。可见工程平面布局规则合理,抗扭效果良好。

转换构件设计要求

5.1框支柱

框支柱截面尺寸一般系由其轴压比计算确定。地震作用下框支柱内力需调整。抗震设计时, 框支柱的柱顶弯矩应乘以放大系数，并按放大后的弯矩设计值进行配筋；剪力调整———框支柱承受的地震剪力标准值应按下列规定采用；框支柱的数目不多于10 根时,当框支层为1～2 层时,每层每根柱承受的剪力应至少取基底剪力的2%；当框支层。为3 层及3 层以上时，各层每根柱所受的剪力应至少取基底剪力的3%；框支柱的数目多于10 根时，当框支层为1～2 层时，每层每根柱承受的剪力之和应取基底剪力的20%；当框支层为3 层及3 层以上时，每层框支柱承受剪力之和应取基底剪力的30%；框支柱剪力调整后,应相应调整框支柱的弯矩及柱端梁的剪力、弯矩，框支柱轴力可不调整。

框支柱全部纵向钢筋配筋率，抗震等级一级时不小于1.2%，二级时不小于1.0%，三级时不小于0.9%，四级及非抗震设计时不小于0.8%。纵向钢筋间距抗震设计时不大于200mm,且不小于80mm,全部纵向钢筋配筋率不宜大于4%。

5．2框支梁

框支梁截面尺寸一般由剪压比控制,宽度不小于其上墙厚的2倍,且不小于400mm;高度不小于计算跨度的1 /6。工程框支梁梁宽统一定为800mm。框支梁受力巨大且受力情况复杂,它不但是上下层荷载的传输枢纽,也是保证框支剪力墙抗震性能的关键部位,是一个复杂而重要的受力构件,因而在设计时应留有较多的安全储备,特一级抗震等级的框支梁纵筋配筋率不得小于0.6%。框支梁在满足计算要求下,配筋率不小于0.8%。框支梁一般为偏心受拉构件,梁中有轴力存在,因而应配置足够数量的腰筋。腰筋采用Ф16,沿梁高间距不大于200mm,并且应可靠锚入支座内。框支梁受剪很大,而且对于这样的抗震重要部位,更应强调“强剪弱弯”原则,在纵筋已有一定富余的情况下,箍筋更应加强。箍筋统一采用Ф14@100八肢箍全长加密,配箍率达到1.53%。

结语

总之，梁式转换层结构对于整体建筑的可靠性、安全性以及耐久性具有至关重要的意义，其传力直接明确、、可靠度高、经济合理以及较易施工的优点使得它在建筑中应用愈发广泛。在设计计算过程中对转换层的受力特点、控制要点和一些构造要求应当给予足够的重视。

参考文献

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