论带转换层的高层建筑结构设计

·139·中华民居2012年01月一　引言随着我国国民经济的快速发展，城市建设用地越来越紧张，为了提高土地的利用价值并满足建筑艺术造型及其不同使用功能的需求，房屋的高度不断增加，房屋的结构形式也越来越复杂，从框架结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构、筒体结构到各种转换、连体、错层等等，各种复杂结构形式不断被应用。考虑到同一单体上下层建筑功能的不同要求，转换层的使用解决了高层建筑底部大空间使用功能的要求，转换结构存在传力不直接、刚度突变等问题，应采取足够的加强措施以满足正常使用和抗震要求，本文结合工程实际情况，论述带转换层的高层建筑结构的整体结构设计和底部加强部位转换柱、转换梁、落地剪力墙等关键构件的设计要点。二　工程概况泉州某商住楼，总用地面积11763.59m2，建筑面积35272.1m2，地下一层、地上30层，房屋总高度为96.1米。该项目位于两主干道交汇处，人流量大，商业气氛非常浓厚，建筑1~4层使用功能为商场，4层以上为剪力墙结构住宅，需要在第5层楼面设置结构转换层避免在商场内出现过多的落地剪力墙，以满足1~4层商场大空间使用功能的要求。三　结构设计1结构选型建筑物所在地区的抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度0.15g，设计地震分组为第三组。该工程根据现行规范可选用框架-剪力墙结构或剪力墙结构，为避免在住宅户内出现影响使用的梁柱，住宅部分采用剪力墙结构。由于该工程住宅部分5~30层户型均相同，且较规则。若按全落地剪力墙结构（见图1），计算结果周期、位移、配筋等参数均合理，满足规范要求，楼层层间昀大位移与层高之比小于1/1000，昀大层间位移与平均层间位移的比值小于1.3，结构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小于0.85，但全落地剪力墙结构不满足1~4层商场大空间使用功能的要求；若将前面商场入口位置的部分剪力墙改为框架柱，按框架-剪力墙结构进行设计，计算结果单体质量偏心较大，结构扭转周期一直为第一周期，昀大水平位移和层间位移与该楼层平均值的比值也不满足规范要求，通过加大柱截面的办法来改善其位移情况收效不大，且加大柱截面对上部住宅的影响很大，因此昀终采用部分框支剪力墙结构（见图2、图3），主要计算结果见表1。表1部分框支剪力墙结构主要计算结果从表1中可以看出，采用部分框支剪力墙结构两个软件计算结果相差不大，偶然偏心时的扭转位移比可以控制在1.4以内，结构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小于0.85，其余主要计算结果均符合规范要求。2转换层的设计2.1转换层结构设计原则转换层的设置会造成建筑物竖向刚度的突变，因此应尽量遵循以下原则：1、保证主体结构沿竖向刚度均匀，减少需转换的竖向构件，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、避免高位转换，转换层位于3层以上时，层间位移角、剪力的分配及传力路径发生急剧突变，易形成薄弱层，抗震非常不利。因此《高规》规定，部分框支剪力墙结构在地面以上设置转换层的位置，8度时不宜超过3层，7度时不宜超过5层，6度时可适当提高。3、当转换层设置在1、2层时，转换层与相邻上层结构的等效剪切刚度比γe1宜接近1，当转换层设置在2层以上时，转换层下部结构与上部结构的等效侧向刚度比γe2也宜接近1。转换层位置较高的高层建筑不利于抗震，为保证结构的安全，在地震作用下落地剪力墙和转换柱应不先于转换层上部结构进入屈服状态，使转换层及以下各层的安全系数大于上部。2.2转换层的主要型式转换层常见的几种类型：梁式转换层、箱式转换层、厚板式转换层、桁架式转换层等，根据《高规》第10.2.4条的规定，非抗震设计和6度抗震设计时可采用厚板，7、8度抗震设计时地下室的转换结构构件可采用厚板。可见，采用厚板受地震影响比较大，使用时存在较大局限性。目前一般采用的是梁式转换层，即将上部剪力墙设于转换梁上，再由转换柱来支撑转换梁。他的优点是传力方向明确，设计和施工简便，造价低。而箱式转换层的优点是转换梁的约束性强，刚度大，整体受力效果好，其缺点是施工复杂，造价高。此外，桁架等转换型式也因为受力复杂，造价高，施工难度大等原因而较少在工程中得到实际应用。由于需转换的构件不多，结合工程实际情况，昀后决定采用梁式转换。2.3转换层主要构件设计要点在构件设计中，应把设计重点放在加强结构的竖向整体性上，许多工程经常由于转换层上下结构质量重心偏差较大，使得整个结构的扭转效应加大，因此应适当增大角柱与边缘的剪力墙，以增强结构的扭转刚度。本工程昀初考虑将前半部分剪力墙全部通过转换梁转换为框支柱落地，经过试算后发现结构整体扭转较大，经过反复调整后仍不能得到较好解决。分析后认为，由于剪力墙和框支柱的侧向刚度相差较大，修改后的结构质量重心向后偏移，使单体产生较大扭转。跟建筑协商后决定，单体两侧的剪力墙不进行转换，仍做落地剪力墙，按墙体开洞设计，尽量减少对建筑的影响，修改后扭转问题很快得到解决。2.3.1转换柱设计要点转换柱是带转换层结构重要构件，受力性能与普通框架大致相同，但受力大，破坏后果严重。计算分析和试验研究表明，随着地震作用的增大，落地剪力墙逐渐开裂、刚度降低，转换柱承受的地震作用逐渐增大。因此，《高规》除在对转换柱内力进行调整外，还对其构造配筋提出了比普通框架柱更高的要求，增大转换柱的安全性，推迟转换柱的屈服，以免影响整个结构的变形能力。《高规》为了让转换柱承受较小剪力，规定了框支柱与相邻落地剪力墙的距离，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。以满足底部大空间层楼板的刚度要求，使转换层上部的剪力能有效地传递给落地剪力墙。转换柱昀薄弱是在与转换梁相交的位置，此处转换梁的线刚度远大于转换柱，对其有很强的约束性。在水平力作用下，柱端产生很大弯矩。为保证结构有足够的延性，《高规》对转换柱的轴压比也进行了严格控制，一级抗震时轴压比控制在0.6以内，二级抗震时控制在0.7以内。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，已保证上下层的可靠连接。2.3.2转换梁设计要点转换梁是带转换层结构中应用昀为广泛的转换结构构件。结构分析和试验研究表明，转换梁受力复杂，而且十分重要。它不但是上下层荷载的传输枢纽，而且是保证框支剪力墙抗震性能的重要构件。因此《高规》规定了比一般框架梁更高的要求。主要规定如下：（1）转换梁与转换柱截面中线宜重合。论带转换层的高层建筑结构设计庄金宏（泉州市建筑设计院）提　要：本文结合工程实际情况，论述带转换层的高层建筑结构的整体结构设计和底部加强部位转换柱、转换梁、落地剪力墙等关键构件的设计要点，为同类建筑结构的设计提供参考。关键词：转换层、转换柱、转换梁、落地剪力墙图3-转换层结构平面图图1-1～4层商场采用剪力墙结构时平面图图2--1～～44层层商商场采用框支支剪剪力力墙墙结结构构时时平平面面（下转138页）·138·中华民居2012年01月映谱特征周期值为0.40s。不存在液化土层。9、地下水类型主要为松散岩类孔隙水和上层滞水，地下水化学类型为NO3-－Na2+·Ca2+型，PH值6.8，侵蚀性CO2=5.19mg/L，地下水对混凝土无腐蚀及无侵蚀性。10、各土层物理力学参数建议值参见表4所列值采用。11、建议采用抗滑支挡及锚固工程进行治理。12、建议1～3栋拟建筑物采用桩基础。13、建议砖厂在边坡处取土时要留出足够宽度和坡比的坡体，以确保边坡稳定及小区内建筑物的安全。（2）转换梁截面高度不宜小于计算跨度的1/8。框支梁截面宽度不宜大于框支柱相应方向的截面宽度，且不宜小于其上墙体截面厚度的2倍和400mm的较大值。（3）托柱转换梁应沿腹板高度配置腰筋，其直径不宜小于12mm，间距不宜大于200mm。（4）转换梁纵向钢筋接头宜采用机械连接，同一连接区段内接头钢筋截面面积不宜超过全部纵筋截面面积的50%，接头位置应避开上部墙体开洞部位、梁上托柱部位及受力较大部位。（5）转换梁不宜开洞。若必须开洞时，洞口边离开支座柱边的距离不宜小于梁截面高度；被洞口削弱的截面应进行承载力计算，因开洞形成的上、下弦杆应加强纵向钢筋和抗剪箍筋的配置。（6）托柱转换梁在转换层宜在托柱位置设置正交方向的框架梁或楼面梁。2.3.3转换梁的计算要求（1）转换梁的承载力一般是由斜截面受剪承载力控制。斜截面受剪承载力主要由混凝土和箍筋承担，梁水平腰筋也能承担一部分剪力，但一般不参与计算，而是作为安全储备使用。因此适当提高转换梁的水平腰筋不仅能减少裂缝的产生，还能加大其受剪承载力。（2）转换梁的正截面受弯承载力计算与普通梁相同。（3）由于上部荷载作用点或荷载作用线经常与梁截面中心线不重合，使得转换梁产生扭矩，而梁的抗扭承载力较低，因此设计时不仅要通过计算来确定抗扭承载力是或能满足，还应在开始设计时就尽量使两者重合，有条件的情况下可设置双向转换梁来平衡扭矩。2.3.4落地剪力墙设计要点（1）落地剪力墙承担的地震倾覆力矩应大于结构总地震倾覆力矩的50%；（2）落地剪力墙洞口宜布置在墙体的中部；（3）落地剪力墙的间距：非抗震时不宜大于3B和36m；抗震设计时，当底部框支层为1~2层时，不宜大于2B和24m；当底部框支层为3层及3层以上时，不宜小于1.5B和20m；B为落地墙之间楼盖的平均宽度。2.3.5转换层及其相邻楼层楼板的设计要点（1）转换层楼板厚度不宜小于180mm，应双层双向布置，且每层每方向的配筋率不宜小于0.25%，落地剪力墙外围楼板不宜开洞。（2）与转换层相邻楼层的楼板也应适当加强。2.4转换层计算要求转换层只是高层建筑中的一部分，分析计算时，应先进行结构整体计算分析，即将转换层放入整个结构体系中按空间协同工作分析方法、三维空间分析方法或其他有效方法进行整体内力与位移计算。这样能较好的反映结构体系中各杆件对转换层的整体影响，使转换柱的位移和内力更接近实际情况。但由于整体分析时结构杆件较多，不能对转换层进行细化计算，因此难以保证接触面上的变形能完全协调，构件的计算有可能存在误差。由于上述原因，在完成整体计算分析后，还应对转换层进行局部分析，利用平面有限元分析法对转换构件进行详细的应力分析，确保结构体系的整体安全。四　结束语转换层因受力复杂，抗震能力弱，一直未被广泛应用。但随着高层建筑的不断增多和计算机硬件及软件的迅速发展，转换层结构的计算理论及方法也日趋完善，转换层的应用也越来越多。转换层设计时应重视概念设计和理论分析，对转换柱、转换梁、落地剪力墙和转换层楼板等关键构件应采取必要的加强措施。参考文献[1]JGJ3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程。[2]韩小雷，杨坤带梁式转换层的超限高层建筑结构设计昆明理工大学学报2004年第6期[3]刘连杰，黄韬，杨科某带局部转换层的高层建筑结构设计建筑结构2009.NO1.总第63期（上接139页）缓慢地充满水，排除内部空气，封好上部开孔，装上压力表；待容器壁温与水温接近时才能缓慢升压，压力升至试验压力的50%时，保持15min，然后对球罐的所有焊缝和连接部位作渗漏检查，确认无渗漏后，继续升压；压力升奎试验压力的90%时，保持15min，再次作渗漏检查，确认无渗漏后再升压；达到规定试验压力时，保持30min，然后将压力降至设计压力进行检查，以无渗漏和无异常现象为合格。四　气密性试验水压试验结束经无损检测合格后，吹干罐内残水即可进行气密性试验，试验介质为干燥、清洁的空气，气体温度不低于15℃，球罐的试验压力为3.06MPa。对使用压力表等的要求，按水压试验中有关规定进行。气密试验按下列步骤进行：①试验时压力应缓慢上升，压力升至试验压力的50%时，保持I0min，然后对球罐所有焊缝和连接部位进行泄漏检查，确认无泄漏后继续升压。②压力升至试验压力时，保持l0min，对所有焊缝和连接部位涂肥皂水进行检查，以无泄漏为合格，如有泄漏应在进行处理后重新进行试验。③卸压时应缓慢。④夏季进行气密性试验时应随时注意环境温度的变化，监视压力表读数，防止发生超压事故。（上接142页）