摘　要：本文作者介紹了高層建筑轉換層結構的設計要點,包括結構選型、抗震等級確定、結構布置和轉換構件的構造要求等，探討了梁式轉換層結構設計的要點。

　　關鍵詞：高層建筑,轉換層,結構設計

　　根據建筑平面及功能要求合理選擇轉換層形式,正確選擇建筑抗震類別是轉換層設計的關鍵點,結合結構布置,正確選擇各分部的抗震等級,構件設計應注重抗震延性設計的概念,對主要構件進行加強是設計的重點。本文以一棟帶轉換層的高層建筑的結構設計為例介紹轉換層結構的設計要點。

　　1.工程概況

　　該工程地下兩層,地上裙房五層,總層數三十一層。一層層高為5.3米,二層、三層層高均為5.0米,四層、六層層高均為4.2米,五層層高為5.2米,七層至三十一層層高均為2.9米,建筑物總高99.2米。該工程地下一層為大賣場和地下車庫,地下二層為車庫及平戰結合的六級民防地下室,一～四層為商場,五層為會所,六～三十一層為高級公寓。建筑抗震設防類別:裙房為乙類,主樓為丙類;抗震設防烈度為7度,設計基本地震加速度0.15g;設計地震分組為第一組;場地類別為Ⅱ類。轉換層設在第六層樓面。

　　2.轉換層型式的選擇

　　各種形式轉換層的優缺點詳見表一:

　　結合工程實際建筑布局情況,并考慮經濟指標及施工難易程度,經過技術經濟比較后,決定采用梁式轉換層結構型式,也可稱為梁式框支剪力墻結構。

　　3.梁式轉換層的結構設計要點

　　3.1 抗震等級的確定

　　本工程轉換層以下為框架-剪力墻結構,轉換層以上為純剪力墻結構,是多種結構形式共存的復雜高層建筑,因而不能象單純的框架結構或剪力墻結構那樣籠統地確定抗震等級,而應該嚴格按照現行規范的不同章節,有針對性地分別確定結構體系各部位不同結構構件的抗震等級,這是設計的關鍵點。

　　3.2 結構豎向布置

　　高層建筑的側向剛度宜下大上小,且應避免剛度突變。然而帶轉換層的高層建筑結構顯然有悖于此,因此對轉換層結構的側向剛度作了專門規定。對該工程而言,屬于“高位轉換”。轉換層上下等效側向剛度比宜接近于1,不應大于1.3。在設計過程中,應把握的原則歸納起來,就是要強化下部,弱化上部。可以采用的方法有以下幾種:

　　3.2.1 與建筑專業協商,使盡可能多的剪力墻落地,必要時甚至可在底部增設部分剪力墻(不伸上去)。除核心筒部分剪力墻在底部必須設置外,還與建筑專業協商后,讓兩側各有一片剪力墻落地·這些無疑都大大增強了底部剛度。

　　3.2.2 加大底部剪力墻厚度。轉換層以下剪力墻中,核心筒部分的厚度取為600mm,其余部分的厚度取為600mm。

　　3.2.3 底部剪力墻盡量不開洞或開小洞,以免剛度削弱太大。

　　3.2.4 提高底部柱、墻混凝土強度等級,采用C45混凝土(框支柱采用C50混凝土)。

　　3.2.5 適當減少轉換層上部剪力墻數目,控制剪力墻厚度,并可在某些較長剪力墻中部開結構洞(結構施工完畢后再用填充墻填實),以弱化上部剛度。弱化上部剛度不僅對控制剛度比有利,還可減輕建筑物重量,減小框支梁承受的荷載;增大結構自振周期,減小地震作用力。

　　工程綜合采用上述幾種方法后,轉換層上下剛度比在X方向為0.725,在Y方向為0.813,滿足規范要求,效果良好。雖然上下部剛度比滿足要求,但畢竟工程仍屬于豎向不規則結構,轉換層及其下各層為結構薄弱層,因而應將該兩層的地震剪力乘以1.15的增大系數。

　　3.3 結構平面布局

　　工程底部為框架-剪力墻結構,體型簡單、規則;上部為純剪力墻結構。在剪力墻平面布置上,東西向完全對稱,南北向質量中心與剛度中心偏差不超過2m,結構偏心率較小。除核心筒外,其余剪力墻布置分散、均勻;且盡量沿周邊布置,以增強抗扭效果。查閱計算結果,扭轉為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比為0.85,各層最大水平位移與層間位移比值不大于1·4,均滿足平面布置及控制扭轉的要求。可見工程平面布局規則合理,抗扭效果良好。

　　4.轉換構件設計要求

　　4.1 框支柱框支柱截面尺寸主要由軸壓比控制并應滿足剪壓比要求。為保證框支柱具有足夠延性,對其軸壓比應嚴格控制。工程框支柱抗震等級為特一級,軸壓比不得大于0.6,對部分因截面尺寸較大而形成的“短柱”,不得大于0.55。柱截面延性還與配箍率有密切關系,因而框支柱的配箍率也比一般框架柱的大得多。箍筋不得小于Ф10@ 100,全長加密,且配箍率不得小于1.5%。在工程中,個別框支柱還兼做剪力墻端柱,所以還應滿足約束邊緣構件配箍特征值不小于0.2的要求,折算成配箍率(C50混凝土)即為2.64%。框支柱為非常重要的構件,為增大安全性,對柱端剪力及柱端彎矩均要乘以相應的增大系數,每層框支柱承受剪力之和應取基底剪力的30%。因為程序計算時,一般假定樓板剛度無限大,水平剪力按豎向構件的剛度分配。底部剪力墻剛度遠大于框支柱,使得框支柱剪力非常小。然而考慮到實際工程中樓板的變形以及剪力墻出現裂縫后剛度的下降,框支柱剪力會增加。因而對框支柱的剪力增大作了單獨規定。另外,為了加強轉換層上下連接,框支柱上部墻體范圍內的縱筋應伸入上部墻體內一層;其余在墻體范圍外的縱筋則水平錨入轉換層梁板內,滿足錨固要求LaE。

　　4.2 框支梁

　　框支梁截面尺寸一般由剪壓比控制,寬度不小于其上墻厚的2倍,且不小于400mm;高度不小于計算跨度的1/6。工程框支梁梁寬統一定為800mm。框支梁受力巨大且受力情況復雜,它不但是上下層荷載的傳輸樞紐,也是保證框支剪力墻抗震性能的關鍵部位,是一個復雜而重要的受力構件,因而在設計時應留有較多的安全儲備,特一級抗震等級的框支梁縱筋配筋率不得小于0.6%。框支梁在滿足計算要求下,配筋率不小于0.8%。框支梁一般為偏心受拉構件,梁中有軸力存在,因而應配置足夠數量的腰筋。腰筋采用Ф16,沿梁高間距不大于200mm,并且應可靠錨入支座內。框支梁受剪很大,而且對于這樣的抗震重要部位,更應強調“強剪弱彎”原則,在縱筋已有一定富余的情況下,箍筋更應加強。箍筋統一采用Ф14@ 100八肢箍全長加密,配箍率達到1·.53%,遠大于文獻[1]對特一級級抗震條件下框支梁的配箍率要求。

　　4.3 轉換層樓板

　　框支剪力墻結構以轉換層為分界,上下兩部分的內力分布規律是不同的。在上部樓層,外荷載產生的水平力大體上按各片剪力墻的等效剛度比例分配;而在下部樓層,由于框支柱與落地剪力墻間的剛度差異,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。轉換層樓板承擔著完成上下部分剪力重分配的任務;并且由于轉換層樓板自身平面內受力很大,而變形也很大,所以轉換層樓板必須有足夠的剛度作保證。轉換層樓板采用C50混凝土,厚度180mm。Ф14@ 150鋼筋雙層雙向整板拉通,配筋率達到0.28%。另外,為了協助轉換層樓板完成剪力重分配,將該層以上兩層及以下各層樓板也適當加強,均取厚度150mm。

　　5.結語

　　近年來,隨著我國經濟的持續快速發展,人們對高層建筑的功能要求趨向于多樣化、綜合化和全面化。為較為最常見的形式以上部為小開間的民用住宅,下部為大開間的商場或公共娛樂場所。從建筑功能上看,高層建筑上部需要較多的墻體來分隔空間以滿足住宅戶型的需要;而下部則希望有較大的自由靈活空間,大柱網、少墻體,以滿足公共使用要求。然而,按照這樣的建筑形式進行結構布置時,上部墻體多而密,下部柱網少而稀,即剛度上大下小。這與常規的結構豎向布置的原則正好是相反的。為了滿足建筑要求就必須在上下不同結構體系轉換的樓層設置轉換層。于是,帶轉換層的建筑結構孕育而生,并在近年來得到較為廣泛的應用。

　　參考文獻:

　　[1] JGJ3-2002,高層建筑混凝土結構技術規程[S]。

　　[2] 章斌全.框支剪力墻轉換層結構設計探索[J]。工程建設與設計, 2003(2): 8~10。

　　[3] 高雪峰.轉換層結構設計的改進建議[J]。建筑技術開發, 2003(3): 6~7。