高位转换结构高层建筑设计探讨

摘要：随着我国高层建筑的迅速发展，以及对建筑结构多功能的要求，带转换层高层结构的应用越来越多，且转换层的设置位置也越来越高，工程中经常会遇到转换位置较高的情况（即高位转换结构）。本文通过实例对高位转换层结构高层建筑设计进行了一些探讨。

关键词：高位转换;刚度比;周期;位移

中图分类号：TU2文献标识码： A 文章编号：

随着社会经济的不断发展，高层建筑功能和形式日益多样化。建筑向体型复杂、功能多样的综合性方向发展。建筑功能的需要，框支剪力墙结构在高层建筑中大量应用，下部布置刚度小的框架柱以获得大空间作为商场、餐馆、文化娱乐场所；上部布置刚度大的剪力墙形成小空间作为住宅、旅馆或办公用房。有的转换层位置较高，一般在3～6层，有的位于7～10层，甚至更高。由于框支剪力墙的结构特点，部分抗侧力构件的内力由水平转换构件向下传递，易使转换层附近的刚度和内力发生突变，并易形成薄弱层。特别是转换层位置较高时，转换层下部的落地剪力墙及框支结构易于开裂和屈服，转换层上部的墙体易于破坏。因此，对于这类复杂结构应进行仔细的结构分析和概念设计。作者就由于框支剪力墙实际工程的设计谈谈自己的体会。

一、 工程概况

某工程占地面积3680m2，总建筑面积31670m2。四层裙房，三层地下室，地上共22层，总高73. 8米。首层为商场及公寓大堂，2至4层为商场及办公区，5至22层为公寓。因建筑底部需要大的使用空间，不允许布置过多落地剪力墙，而上部公寓开间小、墙体多，所以采用框支剪力墙结构。结构转换位置位于4层((5层楼面)，故本工程属于高位转换的A级高度的钢筋混凝土高层建筑。场地土的类型以中软土为主，建筑场地类别为II类，采用筏板基础。抗震设防烈度为7度，建筑抗震设防类别为丙类。根据《中华人民共和国现行国家标准高层建筑混凝土结构技术规程》( JGJ3-2010 ) 4.2.2条规定，基本风压应按照现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009的规定采用。对风荷载比较敏感的高层建筑，承载力设计时应按基本风压的1.1倍采用。即基本风压Wo=0.6kN/m2，地面粗糙度类别为C类。

二、 结构布置

本工程采用框支剪力墙结构，钢筋混凝土梁板楼盖体系。为满足建筑造型和多方面使用功能的要求，结构平面布置比较复杂，竖向抗侧力构件不连续。转换层结构平面图见图1。为了控制水平位移在规范允许的范围内，在建筑允许的条件下，加强转换层上部结构周边剪力墙刚度。在转换层以下加强楼电梯筒周边墙体，并在建筑空间允许的位置设置高宽比较大的框支柱。

图1 转换层结构平面图

本工程框架梁、柱和剪力墙的受力钢筋均采用HRB400,混凝土的强度等级视结构部位采用C25-C45不等，其中-3～5层骨架墙柱为C45,6～9层骨架墙柱和5, 6层梁板为C40。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)（以下简称《高规》），转换层楼板厚度不宜小于180mm，与转换层相邻楼层的楼板也应适当加强。故本工程转换层楼板厚度取200mm，转换层上一层及下一层楼板厚度取150mm。本工程主要构件截面尺寸见表1,标准层建筑平面图见图2。

图2标准层平面图

表1主要构件截面尺寸

三、结构设计与计算分析

(一) 关于抗展等级

根据《高规，当转换层的位置设置在3层及3层以上时，其剪力墙底部加

部位(取首层剪力墙底部至框支层以上两层的高度及墙肢总高度的1/8二者的较大值)的抗震等级较非高位转换的相应部位抗震等级提高一级、框支柱的抗震等级较非高位转换的框支框架抗震等级提高一级。但是，对于高位转换结构，其底部多层框架的哪个范围属于框支框架，《高规》并未明确规定。对此，《补充规定》进一步指出，框支框架包括框支柱及框支梁，框支层及其以下一层按框支框架采用相应的抗震等级，其余可按框架一剪力墙或框架一筒体结构的抗震等级采用。另外，《高规》还规定，当地下室顶层作为上部结构的嵌固端时，地下一层的抗震等级应按上部结构采用，地下一层以下结构的抗震等级可根据具体情况采用三级或四级;短肢剪力墙的抗震等级应比一般剪力墙的抗震等级提高一级采用。按照上述原则确定的各结构部件的抗震等级见表2。

表2 各结构部件的抗展等级

(二) 计算参数的选用

1、 振型组合方法选用CQC祸联，计算振型数取为24:

2、计入双向水平地震作用下的扭转影响，并考虑偶然偏心；

3、计算结构位移、结构自振周期时，采用刚性楼板假定；

4、本建筑结构的安全等级为二级，结构重要性系数取为1.0:

5、地下室顶层作为上部结构的嵌固端。

(三)主要考虑的问题

1、侧向刚度的规则性:(1)楼层侧向刚度是否不小于相邻上部楼层侧向刚度的70%或其上相邻三层侧向刚度平均值的80%；(2)转换层上部结构与下部结构的侧向刚度比是否符合《高规》附录E的规定。

2、楼层承载力有无突变:楼层层间抗侧力结构的层间受剪承载力是否大于相邻上一楼层的80%；

3、扭转的规则性:

4、各地震方向的振型参与质量是否都超过总质量的90%；

5、任一楼层的最大弹性层间位移角是否满足规范限值；

6、采用弹性时程分析法进行补充计算。

(四)结构薄弱层的控制

1、结构层侧向刚度沿竖向突变产生的薄弱层

《高规》指出，转换层上部结构与下部结构的侧向刚度比应符合《高规》附录E的规定。

程序给出了三种计算层侧向刚度的方法。它们分别是:

方法1《高规》附录E.0.1的剪切刚度，适用于转换层位于1层的刚度突变的控制；

方法2《高规》附录E.0.2的剪弯刚度，适用于转换层位置大于1层的刚度突变的控制；

方法3《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2001)及《高规》建议的方法—地震剪力与地震层间位移的比，适用于转换层设置在3层及3层以上时，转换层本层侧向刚度不应小于相邻上一层楼层侧向刚度的60%的控制。

所以本工程先采用方法2一“剪弯刚度”方法计算层刚度，求转换层上部和下部结构的等效侧向刚度比，并判断是否符合《高规》的要求(即等效侧向刚度比宜接近1，不应大于1.3 )，然后采用方法3一“地震剪力与地震层间位移的比”方法再计算一次层刚度，从而进行转换层本层侧向刚度不应小于相邻上一楼层侧向刚度的60%的下限控制。

2、楼层竖向抗侧力构件不连续产生的薄弱层

计算机程序无法自动判断因抗侧构刚二竖向布置不连续而造成的薄弱层，对于转换层结构，不管程序按刚度比来判断该层是否属于薄弱层，都应将该层手工置为薄弱层。

(五)对竖向抗侧力构件不连续导致的结构竖向不规则所采取的结构措施

本工程-3至4层需要较大的平面空间，6至22层为住宅，开间较小，所以在结构4层存在局部框支剪力墙转换结构。为此采用了如下措施减少竖向抗侧力构件不连续的不利影响:

1、转换层以下的结构措施:(1)加强楼电梯筒周边墙体:(2)尽量利用仅一3至4层的楼梯间、电梯间布置剪力墙；(3)建筑空间允许的位置设置高宽比较大的框支柱；