探討高層建筑轉換層結構設計

張立芬（湖南藍都工程設計咨詢有限公司，湖南 常德 415700）

目前轉換層技術廣泛應用于建筑物當中，成為建筑物當中一種常見的結構。城市建筑類型大部分為高層建筑設計，高層建筑使用功能逐漸向綜合化、多樣化、全面化等方向發(fā)展。一般而言，當高層建筑下部樓層豎向結果體系或形式與上部樓層差異較大，或者下部樓層豎向結構軸線距離擴大或上、下部結構軸線錯位時，就必須在結構改變的樓層布置轉換層結構。但是轉換層結構是一種受力復雜的不利抗震的結構建筑，抗震設防烈度在9度時不應采用，必須按照《抗震規(guī)范》中的抗震等級進行相應的計算和構造措施[1]?？梢哉f，轉換層設計是整個工程設計的難點。在設計中，必須結合實際情況，選擇合適的方法進行設計，進而達到經濟、安全的綜合成果。

1 設計原則

1）結構豎向布置

在轉換層的設計中應確保轉換層具有足夠的強度和剛度，如果對大底盤多塔樓的商住建筑，塔樓的轉換層宜設置在裙房與塔樓的交接樓面處，并加大樓面轉換梁、板的尺寸和厚度。若對部分框支剪力墻的高層建筑結構設計時，應根據(jù)《高層建筑抗震設計規(guī)范》規(guī)定 7 度區(qū)不宜超過第 5 層，8 度區(qū)不宜超過第 3 層。

2）結構平面布置

轉換結構布置在邊柱和角柱時，可以使上下層柱交錯布置，轉換梁進行縱、橫兩個方向的布置時可以提供較大的使用空間等等。當對建筑進行抗震設計時，采取將一段長度的剪力墻與地接觸并且與基礎相通，即使得剪力墻與框支墻形成整體工作體系，這樣提高了結構的抗震性能[2]。

3）轉換層下部的主體結構剛度要得到強化

要使建筑物下部整體結構的抗震性能、延性、剛度和強度得到一定程度的保證，就要對轉換層下部主體結構進行一定的強化，在具體的工作中一般都會采用提高混凝土等級、使轉換層下部的主體結構構件的尺寸得到相應的增加、增設剪力墻等眾多方式對下部主體結構剛度進行適當?shù)膹娀Ｔ谶@個過程中，主要需要注意兩個方面的問題：

通過增設剪力墻的方式來提高剛度的時候，要對建筑結構整體的剛度均勻的分布開，做到剛度中心和質量中心的重合，如果二者的中心發(fā)生偏移，很有可能會發(fā)生建筑整體結構扭轉。

要避免簡體界面尺寸增大，因為如果這個尺寸變大很可能會導致下部結構的抗側總剛度中簡體的比重變大，同時，地震總反應也會相應的增大，這樣一來，簡體的抗震能力就會出現(xiàn)變化，所能承受的抗震荷載就會變大，在簡體的安全設計中抗震環(huán)節(jié)要引起格外的重視。

4）轉換層的剛度要得到保證

在具體的建筑設計中一定要使轉換層的剛度得到保證，因為只有剛度得到了保證才會更好的保證內力在轉換層和下部構件中的合理分配。只有轉換梁和剪力墻柱的受力性都非常好，才會對結構轉換起到一定的效果。

5）轉換層的位置不能偏高

如果轉換層的位置偏高，剪力墻的內力和剛度都會發(fā)生變化，對抗震設計會產生不利影響。在進行高位轉換的時候，轉換層下面框支結構的剛度要得到相應的控制，這樣的控制可以對層間內力突變的減少具有重要作用。同時，落地剪力墻也要得到相應的控制，而且要比底層框支剪力墻結構更嚴一些。

2 設計實例

工程位于湖南省長沙市，是商住合為一體的高層建筑，建筑物總高為65.4m，其中地下1層，主要用途為汽車庫和設備用房；1～3為商業(yè)用途；4～20層為住宅樓。

2.1 結構選型

因為該工程為商住混為一體的綜合性建筑，住宅樓部分分隔空間較多，所以采用剪力墻結構；而底部商業(yè)樓需要用到大空間結構，就要將剪力墻結構中的部分剪力墻改為框架結構。這種上部為剪力墻結構，底部為部分框架的剪力墻為框支剪力墻結構。當住宅樓部分剪力墻不能從上到下貫通到基礎時，應設置梁式轉換層。因為，梁式轉換層的設計和施工均較為簡單，傳力較為明確，是目前應用最為廣泛的轉換型式。它的缺點在于，當上下軸線錯位布置時，需增設較多的轉換次梁，空間受力較為復雜，此時應對框支主梁進行應力分析。所以該工程選用了帶梁式轉換層的框支剪力墻結構。

2.2 抗震等級的確定

根據(jù)《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》（JGJ3-2010），本工程為丙類建筑，高度65.4m，所處地區(qū)地震設防列度為7度，框支框架及底部加強部位的剪力墻抗震等級均為二級。根據(jù)10.2.6條對部分框支剪力墻結構，當轉換層的位置在3層及3層以上時，其框支柱、剪力墻底部加強部位的抗震等級需提高一級采用。因本工程轉換層位置處于結構3層，已屬于“高位轉換”，根據(jù)規(guī)范要求，該框支框架與底部加強部位的剪力墻抗震等級均為一級。

2.3 轉換層結構布置

由于上部的住宅樓需分隔空間較多，一次轉換難以滿足建筑功能的需求，因此本商住樓設置了主梁與次梁的二次轉換。

2.4 構造措施

對整體結構進行概念分析的基礎上還需采取必要的構造措施以滿足結構抗震設防的要求。本工程采取的構造措施如下：

1）加強底部框支層的剛度與延性。轉換層以下剪力墻與框支柱混凝土等級均取C40；底部剪力墻厚度取350mm，而核心筒部分的厚度則取400mm，并盡量不開洞或開小洞為宜，以免削弱底部結構剛度?？紤]到本工程結構不規(guī)則，整體性較差，因此在滿足建筑使用功能的前提下盡量布置多些落地剪力墻，減少轉換構件，還使質心與剛心盡量重合，使其滿足轉換層結轉換層上下樓層側向剛度比與轉換層等效側向剛度比的要求。

2）加強轉換層樓板的剛度和延性。由于轉換層樓板是框支剪力墻結構的分界，上下兩部分的受力性能差異較大。上部各片剪力墻結構在外部荷載的作用下基本是按等效剛度比例分配，受力性能較好；而下部框支柱與落地剪力墻由于性能的不同使水平剪力主要集中在落地剪力墻上，即在轉換層處荷載分配產生突變，容易造成薄弱層。所以為了確保水平荷載的可靠傳遞，轉換層樓板采用了C35混凝土，樓板厚度為200 mm，鋼筋采用高強度HRB400級鋼筋雙層雙向布置，配筋率滿足每層每向大于0.25%的要求。

3）結構計算。

梁式轉換層建筑結構主要可以分成兩部分，一個部分就是豎向荷載和剪力墻本身的受力已經很大了，同時還要作為建筑結構抗震的重要部位。另一個部分就是在轉換的過程中要將上層的水平剪力傳到下層的抗剪結構之中，同時它本身收受的內剪力會比較大，還會承受一部分豎向荷載，這就要求建筑的樓板要具有足夠的強度與剛度。

對于復雜高層建筑，合理選擇計算軟件在設計過程中非常重要。為了確保計算結果的可靠性，本工程主要應用中國建筑科學研究院編制的2010版PKPM-SATWE進行計算，并用北京邁達斯技術有限公司編制的Midsa building2012進行復核。轉換層作為整個結構的一個重要組成必須采取符合實際受力變形狀態(tài)的計算模型進行三維空間整體結構受力分析，并對轉換層結構進行局部補充計算。為了保證轉換梁柱的傳力可靠，轉換梁柱中線宜重合；本工程轉換梁截面主要為400mm x 1200mm，450mm x 1500mm，500mm x 1500mm幾種尺寸，滿足規(guī)范轉換梁截面高度不宜小于計算跨度的1/8，框支梁截面寬度不宜大于框支柱相應方向的截面寬度，且不宜小于其上端截面厚度的2倍和400mm的較大值的要求；框支柱主要為700mm x 900mm，800mm x 800mm，800mm x 1000mm幾種尺寸，滿足柱軸壓比與規(guī)范要求的抗震設計時寬度不宜小于450 mm，高度不宜小于轉換梁跨度的1/12要求。對于帶轉換層的復雜高層建筑，除了需考慮扭轉耦聯(lián)作用外，還需考慮模擬施工加載[3]。由于模擬施工加載3具有同時考慮豎向剛度的逐漸形成和豎向荷載的逐漸累加，還可根據(jù)具體的施工方案來定制施工次序，從而能更真實地模擬施工過程，因此模擬施工3更適用于豎向布置不規(guī)則、傳力復雜的高層建筑，它的計算結果比其它幾種模擬施工過程更接近于實際的施工過程。采用SATWE整體分析求出的頂點位移、落地剪力墻所分擔的地震剪力、扭轉為主的第一周期與平動為主的第一周期之比等結果均滿足規(guī)范要求；在整體分析的基礎上，還應取其內力進行人工配筋校核。

當整個設計完成之后，不能忘了還要對轉換層進行有限元計算，同時還要對局部應力進行補充計算。在對轉換層進行分析與計算的過程中，應該充分考慮到轉換結構房蓋的內剛度影響，同時還要對上下樓層的計算模式進行精確的計算。實際的設計操作證明，對框支剪力墻的計算可謂非常之復雜，下部的跟柱要與剪力墻緊密相連，如果連接不當，就很有可能會出現(xiàn)較大的誤差。

3 結語

本文主要針對高層建筑轉換層結構設計要點進行研究與分析。首先，對高層建筑轉換層結構設計原則進行介紹。然后，從工程實例中探討轉換層設計方法，由于帶轉換層結構的高層建筑理論方法還在不斷完善研究之中，因此在結構設計中要不斷對方案進行對比分析，合理選擇轉換層結構類型，嚴格按照相關規(guī)范進行概念設計，才能實現(xiàn)建筑經濟、合理、安全等綜合目標。

[1]謝曉鋒.高層建筑轉換層結構型式的應用現(xiàn)狀及問題[J]. 廣東土木與建筑，2004（02）9.

[2]周明.高層建筑選型及結構設計研究[J].中國高新技術企業(yè),2009（06）,188.

[3]關度豪.試述如何做好高層建筑轉換層的結構設計[J].價值工程，2010（18）,129.