浅谈带转换层的高层建筑结构设计

摘要:近年来,随着社会经济的不断快速发展,高层建筑也越来越多。本文主要介绍了带转换层高层建筑结构的型式分类及各自适用特点,并对转换层设计要点及设计中一些方案的选择、结构的布置、抗震等级的确定、转换构件的构造要求等问题进行了探讨,并重点阐述了梁式转换层结构设计的特点和应注意的一些问题。

关键词:转换层;结构设计

Abstract: in recent years, with the economic and social development, high building more and more. This paper mainly introduces the structure of the high-rise building with conversion layers of type classification and apply their own features, and conversion layers in the design of main design and some scheme selection, structure arrangement and the seismic grade determination, the structure of the transfer member requirements are discussed in this paper, and focuses on the beam type conversion layers structure design of the characteristics and some problems that should be paid attention to.

Keywords: conversion layers; Structure design

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

目前,随着建筑行业的迅速发展,现代高层建筑的功能要求趋向于多样化、综合化和全面化发展。较为常见的形式是,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;而下部则希望有尽可能大的自由灵活空间,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。这里以一栋带转换层的高层建筑的结构设计为例。该工程为地下1层,地上18层。其中1层~3层为商场, 4层~18层为住宅。转换层设在第4层楼面。建筑物总高61.2 m。

1转换层型式的类型及特点

转换层根据建筑功能的需要,可作为正常使用的楼层,但此时应有较大的层高作保证;在层高受限制或设备专业需要时,也可专门作为设备层。在结构型式上, 高层建筑转换结构一般可分为4种基本结构形式,即:桁架（包括空腹桁架）、箱型结构、梁式（包括托梁和双向梁格）、厚梁厚板(见图1)。

1.1梁式转换层

一般运用于底部大空间的框支剪力墙结构体系。它是将上部剪力墙落在转换梁上,再由转换柱支撑转换梁的结构体系。当需要纵横向同时转换时,则采用双向梁布置。梁式转换层的设计和施工均较为简单,传力较为明确,是目前应用最为广泛的转换型式[2]。它的缺点在于,当上下轴线错位布置时,需增设较多的转换次梁,空间受力较为复杂,此时应对框支主梁进行应力分析。

1.2箱式转换层

当转换梁截面过大时,设一层楼板已不能满足平面内楼板刚度无限大的假定。为了使理论假定与实际相符,可在转换梁梁顶与梁底同时设一层楼板,形成一个箱形梁。箱形梁转换结构,一般宜遍布全层设置,且宜沿建筑周边环通构成“箱子”,即箱式转换层。箱式转换层的优点在于,转换梁的约束强,刚度大,整体工作效果好,上下部传力较为均匀,并且建筑功能上还可将其作为“设备层”;缺点是转换梁梁中开设备洞较多,施工复杂,且造价较高。

1.3厚板式转换层

当上下柱网错位较多,难以用梁直接承托时,则需做成厚板,即板式转换层。厚板的厚度可根据柱网尺寸、上部结构荷载综合而定。板式转换层的优势在于,下部柱网受上部结构布局影响较小,可灵活布置。厚板刚度很大,形成一个承台,整体性较好,而且施工也较为便捷。但由于厚板自重很大,地震作用也大,容易产生震害。并且材料耗用多,经济性也较差。

1.4桁架式转换层

当高层建筑下部为大空间商场,上部为小空间客房或写字楼,且需设置管道设备层时,也可采用桁架式转换层。上部柱墙可通过桁架传至下部柱墙,而管道则可利用桁架间的空间穿行。采用桁架转换结构时,一般宜跨满层布置,且上弦节点与上部密柱或墙肢形心宜对中[3]。桁架式转换层的框支柱柱顶弯矩和剪力比其他几种转换型式相对较小。但此法施工复杂程度较高,且对于轴线错位布置时难度较大。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,决定采用梁式转换层结构型式,也可称为框支剪力墙结构。

桁架转换层箱型结构转换层 空腹桁架转换层

托梁转换层双向梁格转换层 厚梁厚板转换层

图1带转换层高层建筑结构体系

2梁式转换层的结构设计要点

2.1结构抗震等级的确定

工程转换层以下为框架-剪力墙结构,转换层以上为纯剪力墙结构,是多种结构形式共存的复杂高层建筑,因而不能象单纯的框架结构或剪力墙结构那样笼统地确定抗震等级,而应该严格按照现行规范的不同章节,有针对性地分别确定结构体系各部位不同结构构件的抗震等级。工程属“部分框支剪力墙”,高度61.2m, 7度抗震设防,框支框架抗震等级为二级,剪力墙底部加强部位为二级[1]。转换层及其以下各层的一般框架梁和框架柱及转换梁的抗震等级为二级。由于工程转换层设在建筑4层楼面即结构3层,已属于“高位转换”,框支柱及剪力墙底部加强部位的抗震等级应提高一级。因此, 框支柱应定为一级抗震,转换层以下落地剪力墙定为一级抗震[2]。转换层以上部分,框支层以上两层仍属剪力墙底部加强区,因此,该两层抗震等级定二级,其中落地的那部分剪力墙由于是“高位转换”,还要提高一级,故其抗震等级应定为一级;而加强层以上的纯剪力墙结构,抗震等级可定为三级[1]。值得一提的是,在设计过程中发现了SATWE的一个隐含功能,即在第一项“参数输入”中,若将“转换层所在层号”定义为≥3层(不含地下室),则计算结果中,所有框支柱的抗震等级会自动提高一级,在WPJX.OUT文件中可查阅。这从另一角度亦可反映“高位转换”中,加强框支柱的必要性。

2.2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。然而带转换层的高层建筑结构显然有悖于此,因此文献[1]对转换层结构的侧向刚度作了专门规定。对该工程而言,属于“高位转换”。转换层下部结构域上部结构的等效侧向刚度比γe2宜接近于1,不应小于0.8；且按照文献[1]3.5.2条急公式3.5.2-1计算的转换层与其相邻上层的侧向刚度比不应小于0.6。这就要求在设计过程中,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)。这是增大底部刚度最有效的方法。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,并且南部还有一大片W形剪力墙也落至基础。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400 mm,其余部分的厚度取为350mm。

(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C40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。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0.809,在Y方向为0.997,满足规范要求,效果良好。虽然上下部刚度比满足要求,但毕竟工程结构竖向抗侧力构件不上下连续贯通，属于竖向不规则结构,转换层及其下一层无法满足要求[1],形成了结构薄弱层。因而应将该两层的地震剪力乘以1.25的增大系数[1]3.5.8条。

2.3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2 m,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0.83,各层最大水平位移与层间位移比值不大于1.4,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。

3转换层结构构件设计

3.1转换柱（框支柱）

转换柱截面尺寸主要由轴压比控制并应满足剪压比要求。为保证框支柱具有足够延性,对其轴压比应严格控制。工程转换柱抗震等级为一级,轴压比不得大于0.6[1],对部分因截面尺寸较大而形成的“短柱”,不得大于0.55。柱截面延性还与配箍率有密切关系,因而转换柱的配箍率也比一般框架柱的大得多。箍筋不得小于Φ10@ 100,全长加密,且配箍率不得小于1.5%。在工程中,个别转换柱还兼做剪力墙端柱,所以还应满足约束边缘构件配箍特征值不小于0.2（轴压比大于0.3）的要求,折算成配箍率(C40混凝土)即为1.82%。转换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至少取基底剪力的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转换柱,使得转换柱剪力非常小。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, 转换柱剪力会增加。因而对转换柱的剪力增大作了单独规定。另外,为了加强转换层上下连接,转换柱上部墙体范围内的纵筋应伸入上部墙体内一层;其余在墙体范围外的纵筋则水平锚入转换层梁板内,满足锚固要求LaE。

3.2转换梁（框支梁）

转换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400 mm;高度不宜小于计算跨度的1/8。工程转换梁梁宽统一定为800 mm。转换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,二级抗震等级的转换梁纵筋配筋率不得小于0.4%。转换梁在满足计算要求下,配筋率不小于0.8%。转换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Φ18,沿梁高间距不大于200 mm,并且应可靠锚入支座内。转换梁受剪很大,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Φ14@ 100六肢箍全长加密,配箍率达到1.15%,远大于文献[1]对二级抗震条件下转换梁的配箍率要求。

3.3转换层楼板

框支剪力墙结构以转换层为分界,上下两部分的内力分布规律是不同的。在上部楼层,外荷载产生的水平力大体上按各片剪力墙的等效刚度比例分配;而在下部楼层,由于框支柱与落地剪力墙间的刚度差异,水平剪力主要集中在落地剪力墙上,即在转换层处荷载分配产生突变。转换层楼板承担着完成上下部分剪力重分配的任务;并且由于转换层楼板自身平面内受力很大,而变形也很大,所以转换层楼板必须有足够的刚度作保证。转换层楼板采用C35混凝土,厚度200 mm。Φ14@ 100钢筋双层双向整板拉通,配筋率达到0.28%。另外,为了协助转换层楼板完成剪力重分配,将该层以上两层及以下各层楼板也适当加强,均取厚度150 mm。

4结语

综上所述,通过带转换层高层建筑结构设计的工程实践,体会到此类建筑结构布置复杂,在平面布置上应尽可能规则、简单、对称,在立面、平面上应尽量保证上下刚度接近;还要注意框支柱、框支梁构件设计的特殊性。另外,由于转换层结构的复杂性以及工程量的巨大,设计人员首先应该注重概念设计,这样可以少走弯路;其次还要在设计过程中通过查阅数据,反复比较调整,以得到最为合理的设计。

参考文献:

[1]JGJ3-2010,高层建筑混凝土结构技术规程[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2010.

[2]娄宇,魏琏,丁大钧.高层建筑中转换层结构的应用和发展[J].建筑结构, 1997, (01).

[3]傅学怡.带转换层高层建筑设计建议[J].建筑结构学报,1999, (02).

[4]张明武.高层商住综合楼转换层结构设计分析与探讨[J].四川建材,2009,(05).

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。