结合工程实际浅谈转换结构设计

【摘　要】目前，随着高层建筑的蓬勃速发展，为了满足建筑的功能和结构的需要。地下室的设计和构建已经成为建筑工程界关注的热点问题本文根据实例论述塔楼结构体系设计应用，主要探讨了空腹桁架转换层体系的设计方法，为今后同类设计提供参考。

【关键词】高层建筑；地下室；结构设计

0.工程概况

某大厦位于中心路段，主塔楼32层，总高度101m，结构形式为框支剪力墙，集商铺、写字楼、酒店公寓三种业态于一体，原建筑方案为3层地下室，上部由1栋29层和1栋35层的双塔巨型框架结构体系组成。地下室因资金链断缺等原因，上部结构迟迟未动工。

更换开发商后，该楼盘重新启动，原已施工基础及地下室保留，将两栋塔楼方案合并调整为1栋31层的框支剪力墙结构。塔楼部分因平面功能改变，需以原方案双塔之核心筒作为框支柱，在楼层设置低位转换层来实现现行方案。结构设计中将3、4层转换梁采用混凝土－箱形钢骨组合梁形成桁架弦杆，两层之间以钢管混凝土柱作为腹杆连接形成完整的空腹桁架转换层体系。经过大量的理论分析计算和方案比较论证，最后成功实现了这种大跨度整体转换结构体系的设计。结构设计使用年限为50年，建筑抗震设防烈度7度，抗震措施采用设防烈度7度。设计基本地震加速度值0.10g，设计地震分组第一组。基本风压按100年重现期取用，W=0.6kNm2，地面粗糙度为B类。

1.基础、地下室的复核及补强

1.1基础承载力复核

本工程基础及地下室已于2007年建成，当时是按照1栋29层和1栋35层的双塔巨型框架结构进行设计。基础形式以箱形筏板为主，局部人工挖孔桩，两种形式基础都具有较高的承载力。新方案以原方案的2栋框架结构核心筒作为框支柱，通过空腹桁架转换层形成1栋31层框支剪立墙结构体系，并采用轻质隔墙、楼板填入加气混凝土砌块及减小层高等措施，大大降低了结构自身重量。对基础进行复核计算后得出结论，其承载力完全满足新方案的受力要求，并有一定富余量，不需要进行加固。

1.2已有梁柱墙复核

原方案地下室按照6级人防设计，梁的配筋率普遍为0.8％～1.5％，满足现行规范的要求；柱的最大轴压比为0.56，配筋率普遍为3.0％～4.0％，配箍率普遍为0.35％～0.6％，满足现行规范的要求；剪力墙最大轴压比为0.49，暗柱配筋率普遍为1.2％～1.5％，剪力墙配筋率为0.3％～0.4％，满足现行规范的要求。

1.3地下室局部补强加固

本工程3层地下室已经施工完成，方案调整后，根据建筑使用功能，在结构第3、4层增设结构转换体系，致使部分柱成为框支柱，需要加强。设计上采用从-2～3层加大柱截面，增设柱内斜支撑；同时为满足上部承载力需要，地下室局部从-3层开始采用植筋方式增加部分剪力墙长度。

2.塔楼结构体系设计

2.1采用合理的抗侧力体系和均匀的刚度变化

根据建筑平面、造型和结构高度，本工程采用部分框支剪力墙结构体系，针对转换层上下抗侧力构件布置不同引起的刚度差异，采取了加强落地筒体, 增加底部剪力墙，调整底部剪力墙位置，转换层以下采用钢－混凝土组合结构等措施，减少楼层侧向刚度沿结构竖向的突变。

2.2对框支柱和剪力墙底部加强部位进行加强

为提高结构的抗震性能，所有框支柱采用钢－混凝土组合柱，箍筋全柱段加密；所有框支柱和剪力墙底部加强部位的抗震等级提高一级，控制剪力墙、混凝土框架柱的轴压比，适当加大剪力墙墙身的配筋率，提高边缘构件纵向钢筋的配筋率和配箍率，保证剪力墙在罕遇地震下具有良好的延性；连梁配置交叉暗撑。

2.3在结构薄弱部位加强配筋构造

转换层及其相邻层附近结构均为抗震较薄弱的部位，除按规范规定对竖向构件加强配筋外，其上下相邻楼层板厚和配筋均进行适当的加强。

⑴在满足建筑物平面及造型要求的前提下，均匀合理地布置竖向结构构件，使建筑物整体抗扭刚度满足计算及抗震要求。

⑵核心筒连接部位楼板加厚为150mm，楼板配筋加强，底面钢筋双层双向通长设置，并加强核心筒边梁及与之相邻框架梁的截面和配筋，以减少筒体较多开洞对结构刚度的削弱，增强结构各竖向构件的整体抗震性能。

⑶每层建筑外周边适当加高外框边梁截面并加强梁筋构造，提高结构的整体刚度，提高建筑物的抗震性能。

⑷适当加大边梁截面，提高结构的整体刚度，提高建筑物的抗震性能。

⑸转换层楼板厚度取180mm，相邻上下层楼板厚度取150mm，楼板钢筋加强，均采用双层双向通长配筋，且楼板中钢筋应锚固在边梁或墙体内。

3.结构计算分析

本工程结构分析采用中国建研院的SATWE计算程序对塔楼进行分析计算并以此作为设计依据，同时采用PMSAP计算程序进行弹性时程分析及多遇地震下的补充计算，其结果作为设计参考。计算结果详见表1～2。

表1 自振周期比较

表2 层间位移角比较

可见两种软件计算结果较接近，说明计算正常；结构基本周期、位移比等指标均较合适，满足规范要求，说明建筑物结构布置是合理的。此外，采用PMSAP进行时程分析计算，地震波为TH1TG030、TH4TG030及1组人工加速度时程曲线RH1TG030，时程分析剪力与弯矩包络图（略）显示，CQC法计算结果能包住时程分析计算结果，满足抗震规范要求。

4.转换层设计

在转换结构方案的选择过程中，开发商要求转换层尽可能形成较大的无柱空间。而转换跨度较大（最大达24m），若采用独立的转换梁方案，则转换梁的截面高度将达到2.5～3m，足足占去1层层高，且自重较大，对已有基础不利。综合上述多种条件，结构设计中将3、4层转换梁采用混凝土－箱形钢骨组合梁形成桁架弦杆，两层之间以钢管混凝土柱作为腹杆连接形成完整的空腹桁架转换层体系，并增设斜撑来减小转换梁的跨度。转换层结构布置如图1所示。通过内力及变形分析可知，梁端部设置斜撑是减小转换结构跨中挠度的有效方法，而在不能设置斜撑的情况下，尽可能将空腹桁架竖腹杆与上部框架柱位置重合，并适当增加竖杆数量（减少杆件间距）尤其是减小转换结构靠近支座处的竖杆间距，对增强转换结构刚度，降低跨中挠度也是较为有效的。

图1 转换层结构布置图

通过内力分析比较，片面增大下弦杆即3层梁截面尺寸（提高刚度），将使部位梁峰值弯矩随之增大，各杆弯矩分布越趋不均匀，逐步表现出独立转化梁的工作性能，降低整个转换结构体系共同工作能力。设计中将两层梁截面统一为1200×1600，同时在框支柱内增设型钢以便于同桁架梁钢骨搭接，同时增强了柱本身的抗剪能力，保证转换结构构件具有足够的强度和满足正常使用极限状态的要求。运用有限元软件MIDAS Gen对空腹桁架转换体系进行了计算分析。根据静力荷载工况下桁架体系的应力分布（图略），可见桁架受力性能良好，上下层桁架梁共同承担上部结构荷载，都得以充分受力，最大应力值为298.5MPa，满足规范要求。

5.内置加气混凝土砌块

为了满足建筑专业提出的房间内大净空、大空间的间隔要求，并从结构受力角度减轻已有基础及墙柱的负担，设计中在框架梁区隔内尽可能不设置次梁，对于厚度相对较大的楼板，在其空隙内设置了轻质加气混凝土砌块，要求砌块容重不大于7kNm3，从而减小结构自重。经折算后180mm厚的板自重减小约12.8%。由于砌块设置于楼板正中间，不影响楼板的抗弯能力，而楼板的抗剪承载力在扣除了砌块后仍能满足受力要求。

6.结语

现代高层建筑由于地下工程庞大,地下室工程是高层建筑的关键之一,深入的研究地下室的主体结构设计,提高设计水平,克服外界因素的影响。本工程有针对性地采用了合理的结构设计，较好地实现了建筑方案的构思，解决了由于结构体系改变引起的结构受力难题，该工程目前已竣工。