带裙楼的高位转换高层结构设计探讨

摘要：根据商住楼底部数层的空间需求，带裙楼的高位转换高层得到普遍应用，本文将结合带裙楼的高位转换高层结构，对该主体结构设计以及地下室设计等进行深入分析探讨，提出对于这类结构，设计时转换层的刚度比以及掌握如何判断地下室能否作为嵌固端是设计重点；同时采取有限元软件对该结构进行计算分析，分析结果表明，各项重要参数符合规范要求，值得类似工程参考。

关键词：高层建筑；转换层结构；结构设计分析；刚度比。

1、工程简介

本大底盘工程包括一个单体建筑、三层大空间裙楼以及一个三层的地下室。其中，单体建筑四层以上为办公建筑，建筑高度为地上57.1米。地下室功能为设备用房、小型车及微型车停车库。高层部分采用部分框支剪力墙结构；剪力墙底部加强部位抗震等级为二级；剪力墙非底部加强部位抗震等级三级；框支柱抗震等级二级。经勘查表明，该工程的场地及附近未发现滑坡、崩塌、泥石流等不良物理地质现象，同时未发现古河道、沟滨、墓穴、防空洞以及孤石等对工程不利的埋藏物，无断裂构造、断层、岩溶、滑坡、泥石流等不良地质作用，场地稳定，持力层为基岩，适宜建筑。本结构工程的设计使用年限为50年，结构安全等级为二级。抗震设防类别为丙类，建筑场地类别为II类，抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度值为0.10g。

2、塔楼和裙楼结构设计

2.1抗震等级

鉴于本工程所有裙楼的建筑高度并没有超限，其中建筑高度最高57.1米，根据抗震规范规定，本结构属于A级高层建筑，从规范可查出本工程塔楼的结构构件的抗震等级最高为二级，只需要按照一般抗震设计措施以及构造措施即可。

2.2塔楼和裙楼结构设计

（1）高层部分上部结构按楼层高度和初步计算结果采用剪力墙体结构，对于裙楼地下室则采用钢筋混凝土框架剪力墙结构即可，对于地下室侧壁则采用钢筋混凝土剪力墙挡土，消防水池采用钢筋混凝土墙，地下室顶板厚度取180mm，消防车道板厚度取200mm。对于商场及主楼根据主次梁的布置板厚取100mm或120mm，普通屋面板厚取120mm。

（2）为了加强塔楼大底盘结构构件的受力性能，本结构的主要水平构件以及所有竖向抗侧构件按照中震设计，作用效应和材料强度取设计值。

（3）塔楼大底盘结构，其裙房主要是用于作为大型商场，因此为了满足裙房的底层大空间需要，本结构的底部采用框支剪力墙结构体系，并且通过梁式结构来进行转换，转换层位于塔楼的底层。在布置本结构抗侧力构件时，为了能够更好地确保转换层上下部抗侧力刚度能够接近，在本结构的的角部以及中部均设置有落地剪力墙，落地剪力墙的墙体厚度根据构造要求和计算取为350mm~600mm之间，具体布置根据试算确定。主要原则是要满足规范关于高位转换采用剪弯刚度比宜接近1的要求。如果小于1则更有利于抗震。本项目的剪弯刚度比情况如下：

采用的楼层刚度算法:剪弯刚度算法

转换层所在层号= 6

转换层下部结构起止层号及高度= 4 6 14.20

转换层上部结构起止层号及高度= 7 9 11.70

X方向下部刚度= 0.1290E+08 X方向上部刚度= 0.1248E+08 X方向刚度比= 0.7973

Y方向下部刚度= 0.6067E+07 Y方向上部刚度= 0.4271E+07 Y方向刚度比= 0.5800符合规范要求，且有利于抗震。

另外，由于转换层设置在地上第四层，《高规》附录E规定，当转换层在3层及三层之上时，其楼层侧向刚度比不应小于相邻上部楼层的的60%。(值得注意的是，这里的侧向刚度比要按地震剪力和地震层间位移比法进行计算)。这里的规定是为了防止虽然剪弯刚度比符合要求，但是转换层本身的侧向刚度过小，从而不利于抗震。关于此项，本项目的具体情况为：

Floor No. 6 Tower No. 1

RJX= 3.9450E+06(kN/m)RJY= 2.0682E+06(kN/m)

Floor No. 7 Tower No. 1

RJX= 4.7464E+06(kN/m)RJY= 3.1612E+06(kN/m)

即X向：3.945/4.7464=0.83，Y向：2.0682/3.1612=0.65，因此满足规范要求。

2.3 地下室是否可以作为嵌固端的判断

本工程的地下室为3层，地下室一层顶板作为结构的嵌固层。在判断能否用顶板作为上部结构的嵌固端时，有两种可用的侧向刚度计算方法，一种为地震剪力和地震层间位移比法，另一种为剪切刚度比。根据实际工程经验，相对地震剪力和地震层间位移比法，剪切刚度比法更难以满足（虽然两者算法不同，也不存在什么必然的联系）。笔者认为，由于它直接关系到结构的塑性铰能否出现在地下室顶板。对此应该从严要求，即采用剪切刚度比进行控制。本项目的剪切刚度比如下：

Floor No. 3 Tower No. 1

RJX= 1.6174E+08(kN/m)RJY= 2.1946E+08(kN/m)RJZ= 2.7314E+11(kN/m)

Floor No. 4 Tower No. 1

RJX= 5.5576E+07(kN/m)RJY= 2.4185E+07(kN/m)RJZ= 1.7990E+10(kN/m)

符合刚度比大于2的要求，地下室顶板完全可以作为上部结构的嵌固端。

2.4关于几种刚度比的讨论

从上述过程可以看出，本工程在不同的地方使用了不同的侧向刚度计算法。

影响地震剪力和地震层间位移比法的是地震产生的剪力以及相应的位移，是一个与外部作用有关的计算方法。

剪切刚度算法主要用于地下室是否能作为嵌固端的判断，以及一层转换结构中的刚度比计算。

剪弯刚度能同时考虑剪切变形和弯曲变形的影响，用于高位转换时，可以保证结构在一定范围内刚度连续，但没有考虑上下层对本层的约束影响。

由以上讨论可知，一个成熟方案结构的计算，仅是刚度比这一项，就需要多次反复的计算。如果需要进行方案比对，则计算量更大。因此，正确理解并掌握三种刚度比的适用范围，并结合概念设计，可以为设计人员节省很多时间和精力，具有十分重要的意义。

3、结构分析设计

对该结构进行有限元分析时选用SATWE（结构空间有限元分析设计软件）。该塔楼的主要控制性计算结果见表1所示。

表1高层塔楼主要控制性计算结论

通过对该塔楼大底盘结构进行计算分析，分析结果表明在地震作用下，本塔楼大底盘结构的各受力构件的抗震承载力以及各楼层的最大位移比均满足规范要求；高层结构层间最大位移与层高之比满足规范要求。另外对本结构的重要受力构件采取细部构造措施，各受力构件的构造均满足高延性要求，而且各受力构件均无出现超筋超限情况；楼层抗剪承载力比值满足规范要求。综上所述，本塔楼大底盘结构在地震作用下，塔楼的结构计算结果均满足规范要求，其受力性能均满足设计的预期性能目标和满足规范要求，所采取的结构设计以及构造措施是可行的。

4、结论

对于带裙楼的高位转换高层结构，设计时转换层的刚度比以及掌握如何判断地下室能否作为嵌固端是设计重点，也是设计难点。随着现代建筑功能日趋复杂，且平立面布置更加不规则，结构设计难度也在不断增加。对于结构设计人员来说，是挑战也是锻炼。因此，掌握结构设计中的基本概念，树立正确的设计思想，可以起到事半功倍的效果。

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