复杂高层建筑结构设计

第9章复杂高层建筑结构设计近年来，国内外高层建筑发展迅速，现代高层建筑向着体型复杂、功能多样的综合性发展。这一方面为人们提供了良好的生活环境和工作条件，体现了建筑设计的人性化理念；另一方面也使建筑结构受力复杂、抗震性能变差、结构分析和设计方法复杂化。因此，从结构受力和抗震性能方面来说，工程设计中不宜采用复杂高层建筑结构，但实际工程中往往会遇到这些复杂结构，如带转换层的结构、带加强层的结构、错层结构和多塔楼结构等。为了使读者对这些复杂结构有所了解，本章简要介绍其受力特点和设计方法。9.1带转换层高层建筑结构公寓（小空间）转换构件办公室（中、小空间）商业（大空间）图9.1.1建筑功能与结构布置在同一幢高层建筑中，沿房屋高度方向建筑功能有时会发生变化。如下部楼层用作商业、文化娱乐，需要尽可能大的室内空间，要求柱网大、墙体少；中部楼层作为办公用房，需要中等的室内空间，可以在柱网中布置一定数量的墙体；上部楼层作为宾馆、住宅等用房，需要采用小柱网或布置较多的墙体，如图9.1.1所示。为了满足上述使用功能要求，结构设计时，上部楼层可采用室内空间较小的剪力墙结构，中部楼层可采用框架-剪力墙结构，下部楼层则可布置为框架结构。为了实现这种结构布置，必须在两种结构体系转换的楼层设置水平转换构件，即形成带转层的结构（structurewithtransferstory）。一般地，当高层建筑下部楼层在竖向结构体系或形式上与上部楼层差异较大，或者下部楼层竖向结构轴线距离扩大或上、下部结构轴线错位时，就必须在结构体系或形式改变的楼层设置结构转换层。9.1.1转换层的分类及主要结构形式1.转换层的分类（1）上、下部结构类型的转换。在剪力墙结构或框架-剪力墙结构中，当拟在底部设置商用房或其他需要较大空间的公用房间时，可以将全部剪力墙或部分剪力墙通过转换层变为框架结构，形成底部大空间剪力墙结构，这种用下部框架柱支承上部剪力墙的结构，亦称为框支剪力墙结构。（2）上、下部柱网和轴线的改变。在筒中筒结构中，外框筒为密柱深梁，无法为建筑物提供较大的出入口，此时可沿外框筒周边柱列设置转换层使下部柱的柱距扩大，形成大柱网，以满足设置较大出入口的需要，但转换层上、下部的结构类型并没有改变。（3）上、下部结构类型和柱网均改变。在框支剪力墙结构中，上部楼层一般为住宅建筑，采用适合于住宅平面组合轴线布置的剪力墙结构体系，而下部楼层一般为商用房，可能采用大空间轴线布置的框架结构体系。这种结构体系不仅上、下部结构类型不同，而且上、下部的轴线也不一定对齐，需要设置转换层来实现力的传递。实际工程中的带转换层高层建筑结构多为这种情况。2.转换层的主要结构形式从转换层结构的概念来看，建筑物上部结构与地基之间的基础也是一种转换结构。因此，钢筋混凝土梁式、板式基础（包括柱下条形基础、交叉梁基础、筏形基础、箱形基础等）的结构形式也可作为建筑物上部结构之间的转换层结构形式。目前，工程中应用的转换层结构形式主要有：梁式、斜杆桁架式、空腹桁架式、箱形和板式等，如图9.1.2所示。1（a）（b）（c）（d）（e）（f）（g）图9.1.2转换层结构形式梁式转换层[图9.1.2（a）]具有传力直接、明确、受力性能好、构造简单和施工方便等优点，一般应用于底部大空间剪力墙结构体系中，是目前应用昀多的一种转换层结构形式。转换梁可沿纵向或横向平行布置，当需要纵、横向同时转换时，可采用双向梁的布置方案[图9.1.2（f）]。当上、下部柱网轴线错开较多，难以用梁直接承托时，则可作成厚板，形成板式转换层[图9.1.2（g）]。板式转换层的下层柱网可以灵活布置，施工简单，但自重大，材料耗费较多。在梁式转换层结构中，当转换梁跨度很大且承托层数较多时，转换梁的截面尺寸将很大，造成结构经济指标上升，结构方案不合理。另外，采用转换梁也不利于大型管道等设备系统的布置和转换层建筑空间的充分利用。因此，采用桁架结构代替转换梁作为转换层结构是一种较为合理可行的方案。桁架式转换层具有受力性能好，结构自重较轻、经济指标好以及充分利用建筑空间等优点，但其构造和施工复杂。这种转换层有斜杆桁架式[图9.1.2（b）]、空腹桁架式[图9.1.2（c）]等。单向托梁或双向托梁与其上、下层较厚的楼板共同工作，可以形成整体刚度很大的箱形转换层[图9.1.2（d）]。箱形转换层是利用原有的上、下层楼板和剪力墙经过加强后组成的，其平面内刚度较单层梁板结构大得多，但一般较厚板转换层平面内刚度小，改善了带转换层高层建筑结构的整体受力性能。箱形转换层结构受力合理，建筑空间利用充分，实际中工程也有一定应用。转换层采用深梁、实心厚板或箱形厚板，当楼层面积较小时，转换层刚度很大，可视为刚性转换层；当采用斜腹杆桁架或空腹杆桁架、且楼层面积较大时，可视为弹性转换层。9.1.2结构布置对于带转换层高层建筑结构，由于转换层刚度较其他楼层刚度大很多，质量也相对较大，加剧了这种结构沿高度方向刚度和质量的不均匀性；另外，转换层上、下部的竖向承重构件不连续，墙、柱截面突变，导致传力路线曲折、变形和应力集中。因此，带转换层高层建筑结构的抗震性能较差，设计时应通过合理的结构布置改善其受力和抗震性能。1.底部转换层的设置高度带转换层的底层大空间剪力墙结构于20世纪80年代开始在我国应用，后来这种结构迅速发展。目前带转换层高层建筑结构在地面以上的大空间层数一般为2～6层，有些工程已做到7～10层。国内有关单位研究了转换层设置高度对这种结构抗震性能的影响。研究结果表明，底部转换层位置越高，转换层上、下刚度突变越大，转换层上、下构件内力的突变越剧烈；此外，转换层位置越2高，转换层上部附近的墙体容易破坏，落地剪力墙或筒体易出现受弯裂缝，从而使框支柱的内力增大，对结构抗震不利。总之，转换层位置越高，这种结构的抗震性能越差。因此，底部大空间部分框支剪力墙高层建筑结构在地面以上的大空间层数，设防烈度为7度和8度时分别不宜超过5层和3层，6度时其层数可适当增加。另外，对于底部带转换层的框架-核心筒结构和外筒为密柱框架的筒中筒结构，由于其转换层上、下刚度突变不明显，上、下构件内力的突变程度也小于部分框支剪力墙结构，转换层设置高度对这两种结构的影响较部分框支剪力墙结构小，所以对这两种结构，其转换层位置可比上述规定适当提高。当底部带转换层的筒中筒结构的外筒为由剪力墙组成的壁式框架时，其转换层上、下部的刚度和内力突变程度与部分框支剪力墙结构较接近，所以其转换层设置高度的限值宜与部分框支剪力墙结构相同。2.转换层上部结构与下部结构的侧向刚度控制转换层下部结构的侧向刚度一般小于其上部结构的侧向刚度，但如果二者相差悬殊，则会使转换层下部形成柔软层，对结构抗震不利。因此，设计时应控制转换层上、下部结构的侧向刚度比，使其位于合理的范围内。（1）底部大空间为1层时，转换层上、下部结构等效剪切刚度比可按下列公式计算：γ211122111222//hhAGAGhAGhAG==γ（9.1.1）ciiwiiACAA+=)2,1(=i（9.1.2）2)(5.2iciihhC=)2,1(=i（9.1.3）式中，、分别表示底层和转换层上层的混凝土剪变模量；、分别表示底层和转换层上层的折算抗剪截面面积，可按式（9.1.2）计算；为第i层全部剪力墙在计算方向的有效截面面积（不包括翼缘面积）；表示第层全部柱的截面面积；h分别表示第层的层高和柱沿计算方向的截面高度。1G2G1A2AwiAciAiciih,i当第层各柱沿计算方向的截面高度不相等时，可分别计算各柱的抗剪截面面积。i为了防止底层刚度突变，值宜接近于1（较难实现），非抗震设计时值不应大于3，抗震设计时值不应大于2。亦即底层的侧向刚度不应小于标准层的1/3（非抗震设计）和1/2（抗震设计）。γγγ（2）当底部大空间层数大于1层时，其转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比eγ可采用图9.1.3所示的计算模型并按下式计算：12212211//HHHHeΔΔ=ΔΔ=γ（9.1.4）式中，eγ表示转换层上、下结构的等效侧向刚度比；表示转换层及其下部结构[图9.1.3（a）]的高度；表示转换层上部若干层结构[（图9.1.3（b）]的高度，其值应等于或接近于高度，且不大于；表示转换层及下部结构[图9.1.3（a）]的顶部在单位水平力作用下的侧向位移；表示转换层上部若干层结构[（图9.1.3（b）]的顶部在单位水平力作用下的侧向位移。1H2H1H1H1Δ2Δ按式（9.1.4）确定的eγ值宜接近于1；非抗震设计时，eγ值不应大于2；抗震设计时，eγ值不应大于1.3。带转换层高层建筑结构除应满足上述的等效侧向刚度比要求外，还应满足下列楼层侧向刚度比要求：当转换层设置在3层及3层以上时，其楼层侧向刚度尚不应小于相邻上部楼层侧向刚度的60%。这是为了防止出现下述不利情况，即转换层的下部楼层侧向刚度较大，而转换层本层的侧向刚度较小，这时等效侧向刚度比eγ虽能满足限值要求，但转换层本身侧向刚度过于柔软，形成竖向严重不规则结构。3P=12D1D转换构件P=1HH1转换层（a）（b）图9.1.3转换层上、下等效侧向刚度计算模型应当指出，式（9.1.4）是用转换层上、下层间侧移角（iiH/Δ）比来描述转换层上、下部结构的侧向刚度变化情况。此法能够考虑抗侧力构件的布置问题（如在结构单元内，抗侧力构件的位置不同，其对楼层侧向刚度的贡献不同），以及构件的弯曲、剪切和轴向变形对侧向刚度的影响，因此是一个较合理的方法；而式（9.1.1）仅考虑了层间竖向构件的数量以及构件的剪切变形。但是，按式（9.1.4）计算eγ时，要求不大于，这对于底部大空间只有1层的情况是难以满足的，所以只能用式（9.1.1）确定2H1Hγ。当然，接近时，也可用式（9.1.4）确定底层大空间剪力墙的等效侧向刚度比。2H1H3.转换构件的布置在高层建筑结构的底部，当上部楼层部分竖向构件（剪力墙、框架柱）不能直接连续贯通落地时，应设置结构转换层，并在结构转换层布置转换结构构件。转换结构构件可采用梁、桁架、空腹桁架、箱形结构、斜撑等。由于厚板转换层的板厚很大，质量相对集中，引起结构沿竖向质量和刚度严重不均匀，对结构抗震不利。因此，非抗震设计和6度抗震设计时，转换构件可采用厚板；对于大空间地下室，因周围有约束作用，地震反应不明显，故7、8度抗震设计的地下室的转换构件可采用厚板。转换层上部的竖向抗侧力构件（剪力墙、柱）宜直接落在转换层的主构件上。但实际工程中会遇到转换层上部剪力墙平面布置复杂的情况，这时一般采用由框支主梁承托剪力墙并承托转换次梁及次梁上的剪力墙，其传力途径多次转换，受力复杂。试验结果表明，框支主梁除承受其上部剪力墙的作用外，还承受次梁传来的剪力、扭矩等作用，使框支主梁容易产生剪切破坏，因此，B级高度框支剪力墙高层建筑的结构转换层，不宜采用框支主、次梁方案；A级高度框支剪力墙结构可以采用框支主、次梁方案，但设计中应对框支梁进行应力分析，按应力校核配筋，并加强配筋构造措施。工程设计中，如条件许可，也可考虑采用箱形转换层。4.剪力墙（筒体）和框支柱的布置为了防止转换层下部结构在地震中严重破坏甚至倒塌，应按下述原则布置落地剪力墙（筒体）和框支柱。（1）框支剪力墙结构要有足够数量的剪力墙上、下贯通落地并按刚度比要求增加墙厚；带转换层的筒体结构的内筒应全部上、下贯通落地并按刚度比要求增加筒壁厚度。（2）长矩形平面建筑中落地剪力墙的间距l宜符合以下规定：非抗震设计，且；抗震设计，底部为1～2层框支层时：Bl3≤ml36≤Bl2≤且ml24≤；底部为3层及3层以上框支层时：Bl5.1≤且。其中B为楼盖宽度。ml20≤（3）落地剪力墙与相邻框支柱的距离，底部为1～2层框支层时不宜大于12m，3层及3层以上框支层时不宜大于10m。（4）框支层楼板不应错层布置，以防止框支柱产生剪切破坏。（5）框支剪力墙转换梁上一层墙体内不宜设边门洞，不宜在中柱上方设门洞。试验研究和计算分析结果表明，这些门洞使框支梁的剪力大幅度增加，边门洞小墙肢应力集中，很容易破坏。（6）落地剪力墙和