1、带转换层的高层建筑结构的抗震设计摘要：由于转换结构对于结构抗震是很不利的，尤其是高层转换结构，我们在进行结构设计时应该引起足够的重视。本文主要对高层建筑转换结构的形式做了简要介绍，并结合历史上各地地震较典型的震害实例归纳了高层结构抗震概念设计的特点，最后总结高层建筑结构设计时应注意的原则，本文对初次做转换结构设计的工程师们有一定的指导意义。 关键词：高层建筑 转换结构 抗震 设计 中图分类号：TU208.3 文献标识码：A 文章编号： 一、问题的提出 随着经济的发展，对房屋建筑使用功能的要求越来越高，立面体型变化多样化，竖向构件上部与下部不能贯通，例如酒店、公寓、高层住宅底部设有局部大空间门厅
2、，甚至底部几层作为商业用途而全部采用较大柱网的大空间。上述要求与结构的合理、自然布置趋势正好相反，由于高层建筑结构下部楼层受力很大，上部楼层受力较小，正常布置时下部刚度大、墙多、柱网密，到上部墙少、柱网稀疏，结构的正常布置与建筑功能之间就产生了矛盾。为了解决这种矛盾，就必须在结构转换的楼层设置转换层。 二、高层建筑转换结构的形式 带转换层高层建筑结构主要归纳为两大类，一类是其主体结构由上部剪力墙结构与下部筒体框架结构或框架剪力墙结构通过转换层组成；另一类是其主体结构由上部小柱网框架、筒体、剪力墙结构与下部大柱网框架、筒体、剪力墙结构通过结构转换层组成。而结构转换层的类型又可分为两类：一类是梁式
3、转换，包括梁、桁架、空腹桁架、箱型结构、斜撑等，另一类是板式转换，一般是由一块整体浇注的厚平板组成。除此之外，近年又出现许多新的转换结构形式，如搭接柱转换结构、宽扁梁转换结构、斜撑转换结构。 梁式转换层结构，由于其受力、传力比较直接，且还可提供一定的建筑设备利用的空间，因而是目前得到最广泛应用的转换结构形式；板式转换结构，受力、传力比较复杂、不够明确，板内应力分布复杂，而且经济性较差，所以此结构形式较少被采用。 三、震害实例1 A美国橄榄景医院主楼（1971 年 2 月 9 日美国加利福尼亚州圣费南多发生里氏 6.4 级地震） ，震害如下： 震害分析：12 层为框架，2 层有较多的砖填充墙，3
4、 层 以上为框架抗震墙，上刚下柔，上下部的刚度相差悬殊，建筑上部 36 层的刚度比下部 12 层的大 10 倍以上，底部两层在地震后破坏严重，平均残余侧移达 380mm，最大为 710mm。 B帝国县行政办公大楼（ICSB 大楼） （1979 年 10 月 15 日美国加利福利亚 El Centro 发生里氏 6.4 级地震） ，该建筑平面布置如下 ICSB 大楼平面 （a）首层平面（b）25 层平面 震害如下：一层 G 轴 4 根柱严重破坏，柱下端混凝土压碎，主筋呈灯笼状外鼓，外端两根柱的破坏比中间两根柱严重，剪力墙和楼板没有明显的剪切破坏。 震害分析：该建筑表面看似简单、规则，但第一层剪力
5、墙的布置是不对称的，且 26 层东西两侧的剪力墙在第一层中断，设计者为了改善首层的刚度和承载能力，在第一层增设了 4 片剪力墙，通过这样，26 层的绝大部分剪力和倾覆力矩由东、西两侧剪力墙承担，到了第一层需通过第二层楼板将剪力墙的剪力传递到中间 4 片短剪力墙；由于这 4 片剪力墙的布置不对称，东侧第一层的 4 根柱由于到刚度中心的距离最远，必将承受一定的剪力，所以东侧框支柱在地震中破坏严重，而西侧框支柱由于离刚度中心较近，承受的地震剪力较小而无明显破坏。 C日本神户 A 公寓（1995 年日本阪神大地震） ，震害如下： 震害分析：该建筑西楼框支层（13 层）的层刚度与上部楼层（410层）相比
6、，不但没有减弱，还大于上部楼层刚度，但框支层剪力墙布置严重偏心，西楼西部有相当多的落地剪力墙，但 13 层的东侧布置了 5片框支墙，使框支层（13 层）与上部刚度偏心率很大，地震中扭转效应大，加剧了原本薄弱的框支柱的破坏，框支柱的破坏严重，出现东侧第3 层倒塌破坏的结果。 D.日本 FY 大楼（1995 年日本阪神大地震） ，震害如下： FY 大楼 A 轴 1 层南侧边柱上端破坏 FY 大楼 A 轴 1 层北侧边柱脚破坏 震害分析：1） 、该建筑沿东西向层数不同，东侧仅 3 层，西侧 7 层，地震作用下，使得西侧的扭转影响较大，加剧了西侧框支柱的漂亮；2） 、地震作用下，上部剪力墙的倾覆力矩使
7、 1、2 层的框支柱产生较大的轴向拉、压力，上部剪力墙的剪力不能全部传递到落地剪力墙上，使框支柱承受一部分剪力，7 层部分的西侧框支柱轴力最大，破坏也最严重。 转换结构地震破坏的例子很多，这里只对以上几种典型的情况做了简要介绍，目的是为了使结构设计师加深对转换结构，尤其是高层转换结构设计的认识和理解，并在设计中引起足够的重视。 四、高层结构抗震概念设计的特点 （1）带转换层高层建筑结构由于上、下层竖向构件不连续，结构竖向刚度发生变化转换层上下楼层构件内力、位移发生突变，对抗震不利。研究表明，影响带转换层高层建筑结构抗震性能的主要因素为：1）转换层设置高度-转换层位置越高，转换层上下层间位移角包
8、络及剪力分配和传力途径突变越明显，转换层下部的框支框架越易开裂和屈服；2）转换层上下楼层刚度-转换层上下楼层的剪切刚度宜尽量接近；对转换位置较低的结构，控制侧向刚度比可以控制转换层附近的层间位移角及内力突变；对转换位置较高的结构，还应控制转换层上下部结构的等效刚度比。 （2）转换构件除满足刚度、强度、延性的要求外，还要注意保证转换层楼盖的整体刚度。一般而言，转换层楼盖受力较大，除协助转换梁工作外，楼盖还要承受上部结构竖向构件传来的水平力传递到下部竖向构件上去。震害表明，转换构件的刚度较弱，楼盖的刚度和抗剪承载力较弱，使楼盖破坏严重、转换构件上部的剪力墙、柱破坏严重。 （3）落地剪力墙与框支柱的
9、布置宜均匀、对称，结构刚度偏心不宜过大，以免地震中由于扭转效应使框支柱严重破坏。框支柱的设计还要注意上部墙体地震倾覆力矩产生的框支柱轴向拉、压力的影响，尤其是单跨框支框架，轴向拉、压力往往会成为框支柱破坏的主要原因，抗震设计一般不宜采用单跨框支框架。 （4）抗震设计中需要加强的部位应包括底部及转换层以上 12 层的楼板、剪力墙和柱。结构的延性耗能机制宜呈现在加强部位以上的结构中 五、高层转换结构设计的原则 尽管高层结构本身有一些抗震不利的因素，但是只要能合理设计，把握好几个原则，还是能达到比较满意的抗震效果的，下面对转换结构设计的原则做如下总结。 尽量减少转换 在可能的情况下尽量减少主体结构的
10、转换，核心筒、剪力墙、框架柱等竖向主体构件应尽量落地，以满足受力直接，刚度连续，既经济又合理。 使传力直接 在可能情况下注意主体结构上部和下部竖向构件的协调对应关系，使转换结构尽可能处于传力比较直接。上部剪力墙宜尽可能采用大开间剪力墙结构，既容易满足上下部刚度比的要求，又便于下部大开间框支柱、转换梁的布置；上部小柱网的结构，宜尽量使其柱网与下部大柱网的轴线有较好的对应插入关系，以使转换梁的布置比较合理明确。总之，应尽量避免多级转换梁转换，慎重采用传力复杂、抗震不利的板式转换。如上下柱网确实无法对齐时，尽量采用箱型转换。 强化下部、弱化上部 对于上部剪力墙下部筒体框架、剪力墙框架的结构，要注意适
11、当增强下部筒体、剪力墙，适当减弱上部剪力墙，以使转换层上下部分主体结构间剪切刚度比尽量接近，且不大于 2。对于框架结构上部小柱网，下部大柱网时，要注意上部框架梁截面适当减弱，下部框架梁截面适当加强，从而可以做到上下部的层间刚度比接近。 加强下部结构的措施：加大筒体及落地墙厚度、提高混凝土强度等级、必要时可在房屋周边增加部分剪力墙、壁式框架或楼梯间筒体，提高抗震能力。 弱化上部结构的措施：不落地剪力墙开洞、开口、减小墙体厚度等。优化转换结构 抗震设计时，却因建筑功能需要采用高位转换时，转换结构宜优先选择地震作用下、不致引起框支柱柱顶弯矩过大、柱剪力过大的结构形式，如斜腹杆桁架、空腹桁架和扁梁等，
12、同时要注意需满足重力荷载作用下承载力、刚度的要求。 计算细致全面 带转换层的高层结构，在转换层及其上下几层的主体结构筒、墙、框架中应力比较集中、复杂，除满足结构的整体分析外，还应辅以该部分结构的有限元分析，取转换以上至少两层结构进入局部计算模型，并注意模型边界条件符合实际情况。整体结构计算需采取两个以上不同力学模型的程序进行抗震计算，还应进行弹性时程分析计算并宜采用弹塑性时程分析进行校核. 六、结语 本文对高层建筑转换结构的形式做了简要介绍，并通过几个较典型的震害实例对高层结构抗震概念设计的特点进行分析，最后总结高层建筑结构设计时应注意的原则，希望本文对初次做转换结构设计的工程师们有一定的指导作用。 1徐培福，复杂高层建筑结构设计，北京：中国建筑工业出版社，2005（2） 2李国胜，多高层建筑转换结构设计要点和实例，北京：中国建筑工业出版社，2010（6） 3赵西安，高层建筑结构使用设计方法，上海：同济大学出版社，1998（4） 4傅学怡，实用高层建筑结构设计，北京：中国建筑工业出版社，2010（8）
