实例分析高层住宅转换层结构设计

摘要：随着高层建筑高速发展，建筑结构设计朝体型复杂、功能多样的综合性方向发展，因而相应的结构形式也复杂多样。文章主要结合某工程实例，针对高层住宅的转换结构设计、结构计算等几方面的设计要点进行了研究，从中不断地提升建筑物结构设计的合理性、耐久性及安全性。

关键词：高层建筑；转换层；上部结构；框支柱设计

1 工程概况

某工程采用框支剪力墙结构，地下1层，地上33层，建筑高度为99.70m。地下室作为停车库，1～3层为商场；第4层为设备转换层；5层及以上为住宅楼。当地抗震设防烈度为6度，场地土类别为Ⅱ类；按100年重现期计算的基本风压值0.35kN/，地面粗糙度C类。

2 上部结构设计

2.1抗震等级的确定

根据建筑平面使用功能要求，采用框支剪力墙结构形式。转换形式为梁式转换，转换梁板位于4层顶，为高位转换层建筑。抗震等级为框支框架一级，剪力墙底部加强部位一级，剪力墙非底部加强部位三级。建筑结构安全等级二级；设计基准期50年；结构设计使用年限50年。

2.2 上部与下部结构的调整

本工程的结构设计特点在于根据建筑功能要求设置的设备层层高仅为3m，使得转换层的侧向刚度均较大于相邻以下三层和相邻上层的侧向刚度，从而在结构计算分析中需解决以下问题：

2.2.1 如何使高位转换时转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比满足《高规》附录E的要求；

2.2.2 一层～三层的各层侧刚度比（本层侧移刚度与上一层相应塔侧移刚度70%的比值或上三层平均侧移刚度80%的比值）需满足《抗规》表3.4.3-2规定；

2.2.3 经计算分析，最大转换梁截面为1300x2500，最小为1000x2000，形成框支柱的剪跨比小于1.5。根据《高规》第6.4.2条注3，剪跨比小于1.5的柱，其轴压比限值应专门研究并采取特殊构造措施。

由于本工程的一层～三层作为商场，业主要求尽可能的减少上部住宅的落地剪力墙数量，以保证使用空间，给结构设计增大难度。为保证主体结构竖向刚度均匀，使转换层上下刚度接近，避免刚度突变形成薄弱层并且满足《高规》附录E第E.0.2条和公式规定，抗震设计时等效侧向刚度比宜接近1.0且≤1.3。因此采取以下措施解决上述的问题，具体措施包括以下几个方面：

（1）转换层上部在剪力墙满足《高规》规定的各项控制参数前提下，尽量减少数量，增大结构洞口，降低连梁高度，以减少上部楼层的侧向刚度。

（2）与业主和建筑专业协商降低一～三层的层高，由原层高5.1m，4.2m，4.2m改为4.8m，3.9m，3.9m；以增大转换层下部各层的侧向刚度。

（3）增大转换层以下各层墙体厚度。转换层以下各层均按一层厚度取值为350～450mm厚，转换层减小为300mm厚，上部为200～250mm厚，避免刚度突变；在一～三层周边将部分砖墙改为剪力墙（新增，与上部剪力墙不对应）以提高剪力墙的数量并增大侧向刚度。

经调整后，转换层上、下刚度比均满足《高规》附录E的要求；一～三层的各层侧刚度比亦满足《抗规》表3.4.3-2规定。

2.3 设备转换层的设置

为避免出现剪跨比小于1.5的框支柱，对设备转换层的设置提出多个结构方案进行比较：

设备转换层采用轻钢结构体系，在主体结构完成后再施工；不考虑该层参与主楼的整体计算分析。则转换层的实际层高为6.9m。经计算分析，转换层的侧向高度在保证建筑功能要求的前提下无法满足 《高规》附录E第E.0.2条中 “当转换层设置第二层以上时，计算的转换层与其相邻上层的侧向刚度比不应小于0.6”。

直接加高设备层层高为4.6m以满足框支柱剪跨比大于等于1.5。这样，建筑总高度大于100m，无法实现。

确定设备转换层层高为3m。对剪跨比小于1.5的框支柱采取特殊构造措施。这样，最终采用方案。

由于目前国内并没有对剪跨比小于1.5的框支柱进行专门研究的规范和资料，因此结构设计时采用几点措施来提高框支柱的抗震性能和延性：（1）轴压比限值降0.1，对于一级抗震的框支柱取0.5；（2）框支柱截面中部设置芯柱；（3）在框支柱内增设交叉斜筋；（4）增大框支柱的配筋率和配箍率。

3 结构计算分析

通过采用SATWE和PMSAP两个不同力学模型的结构分析软件进行整体内力位移计算分析，计算时按结构不规则且同时考虑双向地震作用和平扭藕连计算结构的扭转效应。采用弹性时程分析法进行补充计算――根据建筑场地类别和设计地震分组选用了两组记录地震波和一组人工模拟地震波进行计算对比。

刚重比大于1.4，能够通过《高规》第5.4.4条的整体稳定验算；

刚重比大于2.7，可以不考虑重力二阶效应。

通过以上数据显示，计算结果正常，各项参数均满足《高规》条文要求，结构设计能达到“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设防目标。

4 框支柱设计

框支柱截面尺寸主要由轴压比控制并满足剪压比要求。为保证框支柱具有足够延性，对其轴压比应严格控制。

4.1 该工程框支柱抗震等级为一级，轴压比不得大于0.6，对于部分因截面尺寸较大而形成的短柱，不得大于0.5。柱截面延性还与配箍率有密切关系，因而框支柱的配箍率也比一般框架柱大得多。箍筋不得小于φ10@100，全长加密，且配箍率不得小于1.5%。

4.2 在工程中，个别框支柱还兼作剪力墙端柱，所以还应满足约束边缘构件配箍特征值不小于0.2的要求，折算成配箍率（C55混凝土）即为1.82%。框支柱为非常重要的构件，为增大安全性，对柱端剪力及柱端弯矩均要乘以相应的增大系数，每层框支柱承受剪力之和应取基底剪力的30%。因为程序计算时，一般假定楼板刚度无限大，水平剪力按竖向构件的刚度分配，底部剪力墙刚度远大于框支柱，使得框支柱分配的剪力非常小。然而考虑到实际工程中楼板的变形以及剪力墙出现裂缝后刚度的下降，框支柱剪力会增加，因而对框支柱的剪力增大作了单独规定。

5 结束语

近年来，随着我国经济的持续快速发展，人们对高层建筑的功能要求趋向于多样化、综合化和全面化。为较为最常见的形式以上部为小开间的民用住宅，下部为大开间的商场或公共娱乐场所。从建筑功能上看，高层建筑上部需要较多的墙体来分隔空间以满足住宅户型的需要；而下部则希望有较大的自由灵活空间，大柱网、少墙体，以满足公共使用要求。然而，按照这样的建筑形式进行结构布置时，上部墙体多而密，下部柱网少而稀，即刚度上大下小。这与常规的结构竖向布置的原则正好是相反的。为了满足建筑要求就必须在上下不同结构体系转换的楼层设置转换层。于是，带转换层的建筑结构孕育而生，并在近年来得到较为广泛的应用。

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