1、1带结构转换层的高层建筑结构设计探讨【摘要】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。本文详细介绍了带转换层高层建筑的主要结构设计概念，分别通过对转换层、转换柱、转换梁三个方面说明了设计要点。 【关键词】带结构转换层建筑 结构设计 要点 中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号： 一、前言 为满足建筑底部大空间的功能要求，带转换层的高层建筑结构越来越多的应用在
2、工程实践当中。此种类型的结构由于竖向抗侧力构件的中断，而导致转换层以下的结构抗侧刚度与楼层屈服强度的骤然减小，引起变形集中和能量集聚而极易发生严重破坏。因此，带转换层高层建筑的主要结构设计概念为： 1、加强转换层及其下部结构刚度，要求转换层及其上下楼层层刚度基本均匀。即必须设置一定比例的落地剪力墙，并加大落地剪力墙的厚度或提高混凝土强度等级，必要时可增设部分剪力墙。转换层上下结构的刚度比计算根据高层建筑混凝土结构技术规程附录 E 规定抗震设2计时，当转换层位于 1 层时可采用剪切刚度比 =G2A2G1A1 h1h22 （其中，G1,G2 为底层和转换层上层的混凝土剪变模量；A1、h1，A2、h
3、2 为底层和转换层上层的抗剪截面面积、层高)；当转换层位于 2 层及以上时可采用等效侧向刚度比 e= 1H22H11.3 （如图 1 计算模型 1、2） ；转换层位于 3 层及以上时其楼层与上层侧向刚度之比 Vii+1Vi+1i0.6（即要用建筑抗震设计规范的层剪力与层间位移之比的刚度计算法） 。 2、应尽量强化和提高转换层以及下部结构抗震承载能力，避免罕遇地震作用下下部主体结构（框支柱、转换梁等）破坏，同时应注意保证转换层上部 1 层2 层不落地剪力墙的承载能力和延性，避免重力荷载和罕遇地震作用下不落地剪力墙根部的破坏；注意和加强下部框架梁、上部连梁的延性，适应罕遇地震作用下的塑性较发育发展
4、耗能的需要。 二、带转换层的高层建筑结构设计关键问题 1、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。本工程最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3量减少对建筑的影响，修
5、改后扭转问题很快得到解决。 2、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，12 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
6、剪力墙。转换柱最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。 3、转换梁设计要点 转换梁是带转换层结构中应用最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： 4
7、（一）转换梁与转换柱截面中线宜重合。 （二）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。 （三）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。 （四）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。 （五）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
8、向钢筋和抗剪箍筋的配置。 （六）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。 3、带转换层高层建筑结构设计的主要抗震措施。 （一）保证大空间层需求的裙房有足够的刚度,防止沿竖向刚度变化过于悬殊, 严格控制转换层上下结构的侧向刚度比。抗震设计时, 转换层结构侧向刚度不小于其上一层结构侧向刚度的 70%, 控制转换层上下结构 等效侧向刚度比宜 1. 0, 不应 1. 3。同时应保证一定比例的剪力墙落地, 加大落地剪力墙的厚度, 提高落地剪力墙混凝土强度等级, 减小洞口尺寸, 使纵横墙尽量连接形成筒体。 （二）加强转换层楼板平面内的整体性和侧向刚度, 采用现浇混凝5土楼板, 板厚取为
9、 180 mm, 同时加强转换层上、下一层楼板平面内刚度, 板厚最小取为 120 mm; 结构布置尽量左右对称 , 加强薄弱部位楼板的厚度及配筋; 在结构整体分析中, 考虑薄弱部位楼板平面内变形对结构受力的影响; 通过调整剪力墙的布置方式, 使结构质心和刚心接近, 避免扭转; 平面尽量布置规则。 （三） 采用两个不同力学模型的结构空间分析程序进行计算, 一个采用空间杆，薄壁杆系模型, 另一个采用空间杆，墙板元模型; 计算中考虑偶然偏心或双向地震作用下的扭转影响。 （四）控制风荷载和地震作用下结构层间位移角, 地震作用要满足规范对地震基底剪力与重力荷载代表值的比值限制; 控制结构底部加强区剪力墙
10、及其它部分剪力墙、框支柱及非框支柱轴压比。 （五）适当加强框支剪力墙转换层以下竖向构件的配筋率;采用现浇钢筋混凝土楼板, 增强结构整体性; 核心筒内部楼板厚采用 150 mm, 双层双向配筋; 围护材料选用新型轻质材料, 有利于减轻建筑自重, 减小地震反应。 三、结论 针对带转换层高层结构为复杂高层建筑，上下刚度和质量不均匀，传力途径不直接，转换部位应力复杂这些特点，着重从设计概念以及梁式转换的结构形式与受力特点进行研究，继而多方面阐述与总结了梁式转换层结构的设计计算要点、截面设计与构造要求要点，提供了切实可行的实践经验，对实际工程的设计具有一定的参考价值。 【参考文献】 61 JGJ3-2002 高层建筑混凝土结构技术规程S. 2 唐兴荣.高层建筑转换层结构设计与施工M.北京：中国建筑工业出版社，2002. 3 徐培福.复杂高层建筑结构设计M.北京：中国建筑工业出版社，2005. 4 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 5 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
