带高位转换层高层建筑结构抗震性能分析

摘要：近年来高层建筑发展迅速，由于建筑功能的需要，下部布置刚度小的框架柱以获得大空间作为商场、餐馆、文化娱乐设施，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。为了实现这种结构布置，就必须在结构转换的楼层设置转换层。在地震区，许多高层建筑的转换层位置较高，一般在3~6层，有的位于7~10层，一些建筑转换层设置甚至超过10层，即出现了所谓高位转换结构。可以说，这类建筑已成为现代高层建筑发展的一大趋势，尤其是现代大城市用地紧张以及复杂的立体交叉更是如此。本文重点对带高位转换层的高层建筑的结构抗震性能进行分析和探讨。

关键词：高位转换高层建筑 结构抗震 性能分析

前言

随着我国经济的发展和科学技术的不断进步，在城市建筑中高层建筑的数量正在逐渐增加。由于城市人口集中，用地紧张以及商业竞争的激烈化，促使了高层建筑向着多功能发展。单一结构型式已不能满足多功能综合用房的设计需要。

为了解决上述问题，促使结构设计更加合理可行，采用“结构转换层”的优化设计方法。即在上下两种完全不同的结构型式中，设置刚度较大的结构层，将上层剪力墙的剪力传递到下层剪力墙上去。中间设置结构转换层完成上下层剪力的重新分配，使结构设计方案趋于合理，使用方便、灵活。

1 高层建筑结构转换层的概念

因建筑功能需要，上部小空间，下部大空间，上部部分竖向构件不能直连续贯通落地，而通过水平转换结构与下部竖向构件连接，这样构成的高层建筑结构称为带转换层高层建筑结构。所谓高位转换结构建筑通常是指转换层位置设置抗震设防烈度为8度时超过3层、7度时超过5层的建筑[1]。

2 高层建筑转换层上下结构的转换类型[2]

转换层属于水平结构，通过转换层，可以改变上下层柱网的排列；或者过渡上下层混凝土剪力墙的不同布置，以获得特别的楼层空间，以满足建筑功能对空间的要求。通过转换层，可以将不连续的竖向构件上的荷载传递到转换层结构以下相对较少的竖向承重构件上去。

按照转换层所实现的建筑空间的转换，可以分为[3]：(1)上层和下层结构类型的转换，如上部是剪力墙结构、下部是框架一剪力墙结构；(2)上、下层柱网的改变，转换层上下结构形式不发生改变，通过转换层使得下层柱距扩大，常用于外框筒的底部楼层形成较大的出入口；(3)同时转换结构形式和结构轴线。

3 高层建筑结构转换层的结构形式

针对不同的结构类型需采用不同的转换层结构形式，目前，实际工程中应用较多的转换层结构形式主要有四种基本结构形式[4]：(a)梁式；(b)珩架式和空腹珩架式(c)箱形；(d)厚板式。另外还存在一些其他形式的转换层结构形式。如IBM大厦采用了拱式转换层，沈阳华利广场采用了斜柱式转换层，深圳福建兴业银行大厦采用了新颖的搭接柱转换结构。

(a)梁式转换

梁式结构的转换层一般在转换层的楼面设置纵横交错的钢筋混凝土承重大梁，为适应上部荷载的需要，梁的截面尺寸较大。

梁式转换还更多地适用于框支剪力墙结构，这种高层建筑中最常见的结构是把大部分的剪力墙在一定层次上用框架抬起来，一部分剪力墙落地，在底下几层形成大空间的商场，上部住宅则为大开间的剪力墙结构，在框架和剪力墙地交界处用一较大截面的托梁来过渡，及结构的转换层就做在框支梁这一层。目前，国内外多、高层建筑结构转换层中采用梁式转换层的方案最多，例如北京南洋饭店、上海天鹅宾馆、深圳航空大厦、四川成都岷山饭店。

(b) 珩架式转换(含桁架、空腹珩架式)

珩架式结构的转换层是由梁式结构转换层变化而来的，整个转换层由多枰钢筋混凝土珩架组成承重结构，珩架的上下铉杆分别设在转换层的上下楼面的结构层内，层间设有腹杆。己建工程有北京香格里拉饭店、上海龙门宾馆、南京新世纪广场等。

(c)箱形转换

箱形转换是通过一整层来达到具有较大刚度和承载力的一种转换结构。实际上也是由梁式结构转换层变化而来的。

由于箱形转换层结构完整并具有较大的刚度，上层的剪力墙结构遇箱形转换层相当于一个结构中的两个构件，彼此之间受力关系清楚。从某种程度上来看，上部的剪力墙结构的受力状况与落座在箱形基础上的纯剪力墙结构相似。因此，过渡层上的剪力墙不像框支剪力墙那样应力复杂，这就在一定程度上解决了框支剪力墙结构中剪力墙开洞要求与洞口限制之间的矛盾。目前箱形转换层用于房屋结构还不多，但在铁路工程中较常见。

(d)厚板转换

厚板结构的转换层通常适用于上下层既有结构类型的转变，又有柱网，轴线变化的情况。对于体型复杂的商住楼，特别是多塔楼体系，上部住宅单元剪力墙布置很不规则，而下部商场要求规则大柱网，难以布置转换梁和珩架，采用厚板转换层成为一种较好的选择。

厚板在解决建筑与结构的功能方面有一定的优势，它特别适用于体型复杂、功能繁多的结构，能够更为灵活的实现建筑物的功能，真正体现高层建筑的优势，这是其他形式的转换层结构所不能比拟的。因此，国内外不乏应用厚板转换层的工程实例，如捷克的Kyjev Hotel、香港的绿杨新村住宅楼、深圳蛇口工业区的华彩花园等。

4 转换层力学特性及其影响因素分析

近年来，由于建筑功能多样化的要求，不仅在底层和少数层布置大空间，还要求设计多层大空间(大于3层)，也就是所谓的“高位转换”，在底部多层大空间结构中要求全部落地剪力墙在转换层以下都不屈服是不经济的，也是不恰当的。因此，对于底部大空间结构的“底位”和“高位”转换，就应当采取不同的设计措施。

4.1 转换层设置高度的影响[2]

1) 当转换层位置由三层逐渐提高时，结构的自振周期、振型和地震位移只略有一些量的改变，而没有质的变化。在转换层附近也没有非常显著的突变。

2) 由于转换层的质量远大于其它楼层，所以不同振型作用下层地震作用在转换层处有明显的增大的突变，尤其转换层位置在振型曲线振幅最大处或附近时更为显著。所以我们在计算分析带高位转换层的高层建筑结构的时候，由于高振型的影响可能明显增大，所以要采用较多振型。

3) 地震作用下，随着转换层位置的不断提高，转换层下部楼层的层总地震剪力和总弯矩值会有所增大，这是转换层位置较高带来的很不利影响。但最大层地震剪力和弯矩因转换层位置的提高而引起的最大增值一般仍发生在首层。因为对层数较多的高层建筑(一股为30层左右的建筑)，转换层本身的地震作用在全部地震作用中所占的比例仍不算很大。

4) 对于设置转换层的建筑结构，在转换层处层间位移没有存在突变，但是结构楼层的层间位移角在转换层附近出现其值大小的突变，但其数值较转换层位置较低时的相应楼层的层间位移要小许多。转换层在下部高度位置改变时对层间位移的最大值的影响，比转换层在五层以上改变高度的影响更为显著。

5) 转换层位置较高对抗震不利，应根据规范要求对转换层上部一至两层范围内的竖向构件及水平连梁等的截面、配筋在设计时予以适当加强。转换层上部的竖向抗侧力构件(墙、柱)宜直接落在转换层的主结构上。

4.2 转换层减震措施

在实际工程中，高位转换短肢剪力墙结构抗震设计除遵循一般原则外，还应重视概念设计和构造措施，必要时可考虑采用安装消能减震(阻尼器)装置，当转换层下一层为架空时更有利于采用。转换结构宜采用梁式，以直接承托上部短肢剪力墙结构为佳，避免或慎用二级转换；上部短肢剪力墙尽可能布置于转换梁支座处，不使转换梁跨中承受大的集中荷载；转换层的刚度通常很大，自重亦大，地震反应大，除强度设计外，应重视其延性设计；试验研究表明，受转换层影响，转换层以上1~2 层较转换层以下的各层的震害严重，是抗震设计的重点部位，这些部位的主要抗侧力构件宜适当增大截面尺寸和提高配筋指标[5]。

5 结论

目前高位转换虽然已经部分被证实是可行的，但是文献资料的研究都是针对一些具体结构进行的，每个结构都具有一定的代表性，由于结构布置不同，有些结果还是有差别，特别是由于刚度，质量沿高度分布不均匀的程度，构件加强措施是否得当，均会引起变形，内力分配以及弹塑性地震反应的变化。因此带高位转换层高层建筑的抗震性能还有待进一步研究。

参考文献

[1] JGJ3-2002，高层建筑混凝土结构技术规程[S]，中国建筑工业出版社：2002

[2] 郑昊，带高位转换层高层建筑结构抗震性能分析[D]，广东：工业大学硕士学位论文，2010

[3] 李颖，高层建筑中的结构转换层，中州建筑，1998(2)

[4] 孙红虎，带有梁式转换复杂高层结构的设计方法研究[D]，武汉：华中科技大学硕士学位论文，2005

[5]刘艳民，结构设计中高位转换层的受力及抗震分析，城市建设，2010(59)