基于带转换层的复杂高层结构设设计

摘要：近年来随着高层建筑朝体型复杂、功能多样的综合性方向发展,因而结构形式也复杂多样。现结合工程实例，谈谈对带转换层的复杂高层结构设计的些许想法。

关键词：转换层；复杂高层结构；结构设计与选型

Abstract: in recent years, with high building toward the body, functional diversity of complex comprehensive development direction, and structure and form are diverse and complex. Now with an engineering example, to talk about with the complex conversion layers of high-rise structure design of some ideas.

Keywords: conversion layers; Complex high-rise structure; Structure design and selection

中图分类号： TU318文献标识码：A文章编号：

1 工程实例概况

某综合楼为3栋32层(含1层地下室)高层，地上1层～4层和裙房为商场，5～32层为住宅。总建筑面积约为90000m2，住宅部分采用剪力墙结构，而1～4层规划中为商场，需尽可能形成大空间以满足商场的布置要求。

地面以上设置抗震缝，将1号～3号楼与商业裙房分为四个独立的结构单元。其中1号楼长45.1m，宽18.3m，底层柱网尺寸7.8 m×8.1m；2号楼长42m，宽18m，底层柱网尺寸6.8 m×8.1m；3号楼长35m，宽18m，底层柱网尺寸7.1m×7.5m。

工程的建筑结构安全等级为二级，地基基础设计等级为甲级，设计使用年限为5O年，抗震设防类别4层以下为乙类，其余为丙类。抗震设防烈度为6度，基本地震加速度为0.05g，场地类别为Ⅲ类，场地特征周期为0.45 S。

2、结构选型

在与业主充分沟通后，并对剪力墙结构、框架一剪力墙结构及转换结构的实用性、经济性和安全性做了相应比较，为满足业主对商场大空间的需要，最终决定采用转换结构。在考虑转换构件的过程中将采用梁式转换及厚板转换进行了比较。两种方案从经济性、安全性、合理性这几个方面进行了比较：梁式转换具有传力直接、明确，传力途径清楚，转换梁受力性能好、构造简单、工作可靠等优点，且结构计算相对简单，而厚板转换虽然给剪力墙的布置留下了较大的空间，但是由于厚板转换中的板厚度很大，在转换层集中了很大的刚度和质量，在地震力作用下地震反应强烈，且厚板转换传力不清楚，受力也比较复杂，在采用有限元计算时比较繁冗，另外从开发商最关心的经济性比较来看，厚板转换在混凝土与钢筋用量上均远大于梁式转换，因而决定采用梁式转换。

3、设计原则

确定结构形式后，在设计过程中主要遵循了以下原则：

1)尽量减少转换。在布置主体竖向构件时，将尽可能多的柱及剪力墙上下连续贯通，尤其是在剪力墙布置形成筒体的位置上下贯通，转换构件越少，转换层造成的刚度突变就越小，对结构抗震就越有利。

2)传力直接。设计过程中尽量避免多级转换，尽可能使水平转换结构传力直接，尽量避免采用框支柱、次梁的结构方案。对个别无法避免需进行二级转换的框支梁进行了应力分析计算，按应力校核配筋。

3)优化转换层上、下结构侧向刚度比值。根据规范要求，底部大空间层数大于1层时，其转换层上部与下部的等效侧向刚度比值宜接近1，抗震设计时不应大于1.3，此参数为转换结构的一个重要指标。设计过程中为了尽量强化转换层下部结构刚度，采取了加厚剪力墙厚度、加大框支柱断面、提高混凝土强度等级等措施，同时弱化转换层上部结构刚度，采取了剪力墙开洞、减小剪力墙的肢长、厚度等措施，通过以上措施减少、优化转换层上、下结构侧向刚度及承载力的变化，以保证满足抗震设计的要求。

4)为保证计算的准确性，采用两种不同力学模型的三维空间分析软件进行整体内力计算，设计过程中采用了ETABS，SATWE两种软件计算，并对两种软件的计算结果进行了比对。

4、抗震等级及结构布置

根据规范框支剪力墙高层建筑转换层在地面以上层数有以下规定：地震烈度8度时不宜超过3层；7度时不宜超过5层；6度时其层数可适当增加，本工程的地震烈度为7度，转换层在第4层楼面，属高位转换。根据高层建筑混凝土结构技术规程10.2.5条规定，其框支柱、剪力墙底部加强部位的抗震等级需按表4.8.2和表4.8.3的规定提高一级采用；另因底层商业面积超过7000 m，商业部分属重点设防类，需按高于本地区抗震设防烈度1度的要求加强其抗震措施。设计时框支框架按特一级设计，剪力墙底部加强部位按一级设计。转换层以下为超市及商场，层高要求比较高，1～4层层高为4.8m+4.8 m+4.8 m+5.0 m，标准层层高2.850 m，转换层以下相对刚度偏柔，在角部适当布置了剪力墙。

5、转换结构的设计要点

5.1 计算软件

本工程采用两种计算软件(PKPM，ETABS)分别计算。PKPM-SATWE采用空间杆单元模拟梁、柱等杆件，用在壳元基础上凝聚而成的墙元模拟剪力墙；ETABS采用空间杆系模拟梁、柱单元，考虑杆单元的剪切变形、轴向变形、弯曲变形和扭转变形。剪力墙采用壳元。

5.2 计算方法

考虑弹性板假定，利用PKPM，ETABS对转换层及转换层上下各两层楼盖进行竖向荷载及地震力作用下的应力分析，对框支框架进行了有限元分析。

本工程转换层位于4层顶，属于高位转换，计算转换层下部结构与上部结构的等效侧向刚度比时应按剪弯刚度算法。

5.3 截面选择

5.3.1 框支梁

1)设计中保证框支梁与框支柱截面中线重合，尽量减少偏心影响；

2)框支梁截面高度不小于计算跨度的1／6，转换梁的截面宽度不宜小于400 mm，不宜小于上部墙体厚度的2倍。经过分析几种断面的配筋结果，随着转换梁高度的变化，不仅转换粱内力变化较大，对其上部两层柱的内力配筋也有明显影响，最终确定框支梁断面为600×1 800；

3)由于结构转换层同时兼作设备转换层，在与设备专业充分协调后在框支梁上不留设备洞口。

5.3.2 框支柱

为贯彻强柱弱梁的原则，必须保证框支柱具有足够的安全度和延性，框支柱在框支框架平面内的弯矩大于其平面外的弯矩，框支柱截面宜取矩形。本工程框支柱多为两个主轴方向同时转换，所以本工程框支柱取正方形截面。

1)柱截面宽度，抗震设计时不应小于450 mm；柱截面高度，抗震设计时不宜小于框支梁跨度的1／12；在本工程中，框支柱断面取1000×1000；

2)框支柱在上部墙体范围内的纵向钢筋应伸入上部墙体内不少于一层，其余柱筋应锚入梁内或板内。锚入梁内的钢筋长度，从柱边算起不应小于ιaE。

5.3.3 落地剪力墙

1)落地剪力墙的间距ι≤1.5B且ι≤20m(其中，B为楼盖宽

度)。

2)落地剪力墙与相邻框支柱的距离，1～2层框支层时不宜大于12 m，3层及3层以上框支层时不宜大于10m。

3)底部加强部位(框支层加上框支层以上两层的高度)落地剪力墙厚度取350 mm，转换层以上剪力墙厚度取200mm。

6、两种计算软件结果比较及分析

结果分析：经过两种软件计算，并比较表1计算结果可以看出，反映结构整体性能的关键指标(主要包括结构的自振周期、层间位移角、位移比、转换层上下刚度比等)均能满足规范要求，结构整体受力明确。两种程序分析得出的结构反应特征、变化规律基本吻合。为满足业主的要求，整体结构偏刚。

表1 两种计算软件结果比较

7、结语

在高层建筑转换层设计中，须根据工程本身特点和验算中受力状态的不明确等因素，选择科学合理的设计方案，确保方案设计的全面性、科学性，减少施工的风险和难度。本工程为复杂高层结构，通过合理的结构布置、详细的计算分析、针对薄弱部位采取适当的加强措施，使主体结构具有了必要的抗震能力。

参考文献：

[1] JGJ 3-2002，高层建筑混凝土结构技术规程[s]．

[2] GB 50011-2008，建筑抗震设计规范[S]．

[3] 李国胜．多高层建筑转换结构设计要点与实例[M]．北京：中国建筑工业出版社，201O．

[4] 黄卓，魏厚波，张涛．现代国际复杂超限高层结构设计研究[J]．山西建筑，2011