摘要:現(xiàn)代多功能高層建筑常常設(shè)置轉(zhuǎn)換層，大震作用下，易形成薄弱層，轉(zhuǎn)換層位置較高時(shí)，轉(zhuǎn)換層下部落地剪力墻及框支結(jié)構(gòu)易開(kāi)裂和屈服，上部墻體易于破壞，從而不利于抗震。本文根據(jù)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn),結(jié)合工程實(shí)例，探討了高層建筑整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和局部構(gòu)件設(shè)計(jì),具有一定的參考和借鑒意義.
　　關(guān)鍵詞:高層建筑；轉(zhuǎn)換層;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　0前言
　　工程中，為了滿(mǎn)足建筑藝術(shù)造型及其不同使用功能的需求，現(xiàn)代多功能高層建筑常常設(shè)置轉(zhuǎn)換層，沿豎向劃分為不同區(qū)段，例如底部墻少柱多，用于商業(yè)、大空間廳堂、交通通道；上部墻多柱少，用于酒店客房、住宅等�，F(xiàn)在轉(zhuǎn)換層的位置也在逐步提高，一般設(shè)在3-6層，有的設(shè)在7-10層。帶轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是豎向構(gòu)件不連續(xù)，通過(guò)轉(zhuǎn)換構(gòu)件實(shí)現(xiàn)上下構(gòu)件的過(guò)度，豎向剛度、內(nèi)力在轉(zhuǎn)換處突變。大震作用下，易形成薄弱層，轉(zhuǎn)換層位置較高時(shí)，轉(zhuǎn)換層下部落地剪力墻及框支結(jié)構(gòu)易開(kāi)裂和屈服，上部墻體易于破壞，從而不利于抗震。《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2002)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《高規(guī)》)對(duì)此類(lèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作了專(zhuān)門(mén)規(guī)定。本文以實(shí)際工程為例，探討帶局部轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。
　　1工程概況
　　長(zhǎng)沙市某大樓，體系類(lèi)型采用現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑面積22519.97m2，總建筑層數(shù)33層，層高2.95m。裙房4層，地下2層，地上31層，底部2層為躍層式商業(yè)門(mén)面。由于建筑造型和功能上的要求，建筑1至4層的一端設(shè)置大廳，需在第4層頂面位置設(shè)置局部轉(zhuǎn)換構(gòu)件(標(biāo)準(zhǔn)層與轉(zhuǎn)換層平面布置圖見(jiàn)圖2和圖3)，轉(zhuǎn)換層以上為剪力墻結(jié)構(gòu)，以下為框架一剪力墻結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)換形式選為梁式。
　　
　　圖2標(biāo)準(zhǔn)層平面布置圖
　　
　　圖3轉(zhuǎn)換層平面布置圖
　　本工程屬丙類(lèi)建筑，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50年，地震設(shè)防烈度6度，地震分組為第I組，地震加速度0.05g，場(chǎng)地類(lèi)型Ⅲ類(lèi)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.0，特征周期0.45S,基本風(fēng)壓值取100年一遇0.45kN/m2,地面粗糙度類(lèi)別為C類(lèi)，建筑高度級(jí)別A級(jí)。
　　2整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　2.1抗震等級(jí)確定
　　本工程轉(zhuǎn)換層以上為剪力墻結(jié)構(gòu)，以下為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，是多種結(jié)構(gòu)形式并存的復(fù)雜高層建筑，不能像單純的框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)或框架一剪力墻結(jié)構(gòu)那樣統(tǒng)一確定抗震等級(jí)，而應(yīng)根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范不同章節(jié)的規(guī)定，并考慮該工程自身的特點(diǎn)，有針對(duì)性地分別確定不同部位不同構(gòu)件的抗震等級(jí)。建筑高度97.35m,6度設(shè)防，根據(jù)《高規(guī)》表4.8.2，框支框架抗震等級(jí)應(yīng)為二級(jí)，底部墻加強(qiáng)部位二級(jí)�？紤]到工程具體情況，并根據(jù)加強(qiáng)底部的原則，轉(zhuǎn)換層及以下層的框架梁抗震等級(jí)確定為一級(jí).剪力墻及框支柱抗震等級(jí)為一級(jí)，局部轉(zhuǎn)換及相鄰一跨的剪力墻、框支柱、轉(zhuǎn)換梁抗震等級(jí)為一級(jí)，轉(zhuǎn)換層以上加強(qiáng)部位剪力墻、梁為一級(jí)，非加強(qiáng)部位剪力墻、梁為三級(jí)。
　　2.2豎向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　為保證轉(zhuǎn)換層上下主體結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度盡量接近、平滑過(guò)渡，須把握強(qiáng)化下部、弱化上部的原則。本工程與建筑專(zhuān)業(yè)協(xié)商后，采取的主要措施有:(1)轉(zhuǎn)換層樓板加厚至180mm，轉(zhuǎn)換層上下層各加厚至150mm(其余樓層120mm)，以增強(qiáng)樓板剛度；(2)使盡可能多的上部剪力墻尤其是邊緣剪力墻落地；(3)底部剪力墻增大厚度取為400mm(上部墻體厚度分段為350mm到200mm)，并盡量減少開(kāi)洞；(4)底部剪力墻、柱的混凝土強(qiáng)度等級(jí)提高為C60(上部混凝土強(qiáng)度等級(jí)分段為C50到C30)；(5)由于局部轉(zhuǎn)換部位靠近該建筑一端，將該端設(shè)置為筒體予以加強(qiáng)。
　　采用上述幾種方法，利用SATWE和ETABS計(jì)算程序分別建模，進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)分析后，程序均未發(fā)現(xiàn)薄弱層，且轉(zhuǎn)換層上部與下部結(jié)構(gòu)的等效剛度比的SATWE計(jì)算結(jié)果為:X方向?yàn)?.4960，丫方向?yàn)?.3621。滿(mǎn)足《高規(guī)》附錄E的要求，說(shuō)明結(jié)構(gòu)豎向剛度過(guò)渡平穩(wěn)，豎向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。
　　2.3平面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　該工程總體平面體型簡(jiǎn)單，基本規(guī)則、對(duì)稱(chēng)，長(zhǎng)寬比接近2.0。為了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗扭性能，除核心筒體外，剪力墻在平面內(nèi)分散、對(duì)稱(chēng)且盡量沿周邊布置。整體計(jì)算后，各層最大水平位移與層間位移比值均小于1.4，以扭轉(zhuǎn)為主的第一自震周期與平動(dòng)為主的第一自震周期之比為:1.8643/2.7353=0.682(SATWE),1.6695/2.4665=0.677(ETABS)，滿(mǎn)足《高規(guī)》4.3.5條關(guān)于平面布置與控制扭轉(zhuǎn)的要求。
　　3局部構(gòu)件設(shè)計(jì)
　　3.1框支柱
　　為貫徹強(qiáng)柱弱梁的原則，必須保證框支柱具有足夠的安全度和延性，本工程框架柱設(shè)計(jì)除按照規(guī)范要求設(shè)計(jì)外，還采取了以下措施:(1)軸壓比控制在0.65以?xún)?nèi)(角柱0.55)；(2)兼作剪力墻端柱的框支柱，保證其滿(mǎn)足規(guī)范關(guān)于約束邊緣構(gòu)件的設(shè)計(jì)要求；(3)計(jì)算程序考慮轉(zhuǎn)換層樓板平面內(nèi)剛度；(4)與業(yè)主協(xié)商，邊緣框支柱在轉(zhuǎn)換層處向上延伸一層。該措施顯著減小了邊緣框支柱在轉(zhuǎn)換大梁處的彎矩和剪力，其原因見(jiàn)圖4，原本由轉(zhuǎn)換梁下單根邊緣框支柱分配內(nèi)力(MB=MC)，柱向上延伸一層后，改變?yōu)橛缮舷聝筛�邊緣框支柱共同分配，上面框支柱為暗�?MB=Mc1+Mc2)，由此Mc1<MC，從而使邊緣框支柱頂端截面內(nèi)力顯著減小。
　　
　　圖4框支柱向上延伸一層后內(nèi)力分配變化圖
　　3.2框支梁
　　該工程中，根據(jù)建筑設(shè)計(jì)要求確定上部剪力墻的布置，對(duì)轉(zhuǎn)換梁的構(gòu)件尺寸進(jìn)行試算調(diào)整，且參考文獻(xiàn)[1]的建議:框支梁斷面按構(gòu)造要求可確定為梁寬不小于2倍的上部墻厚和400mm,梁高為1/6倍的框支梁跨度，最終框支梁截面尺寸定為950mm×2500mm。由于框支梁截面尺寸大，梁高接近建筑層高，其內(nèi)力傳遞和分布也非常復(fù)雜。本工程對(duì)框支梁利用ANSYS軟件進(jìn)行有限元二次分析，研究其內(nèi)力分布狀態(tài)。模型包括轉(zhuǎn)換梁以上三層墻體。荷載由整體計(jì)算結(jié)果查得.豎向荷載作用下其內(nèi)力傳遞情況如圖5和圖6所示。
　　
　　圖5框支梁上豎載傳遞
　　
　　圖6框支梁內(nèi)力分部
　　分析結(jié)果表明，轉(zhuǎn)換梁頂端沿跨長(zhǎng)壓應(yīng)力分布極不均勻，其梁端應(yīng)力水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于跨中，轉(zhuǎn)換梁頂端應(yīng)力集中現(xiàn)象十分嚴(yán)峻。梁內(nèi)應(yīng)力傳遞形成“斜壓拱”，且跨中截面梁底拉應(yīng)力較大，頂端雖受壓，但數(shù)值很小，約為低端拉應(yīng)力水平的1/20,屬于典型的大偏心受拉構(gòu)件.橫斷面剪應(yīng)力水平也相當(dāng)大。
　　本工程利用ANSYS程序分析了豎向荷載作用下轉(zhuǎn)換梁的受力狀態(tài)，考慮到豎橫向荷載共同作用，其配筋仍采用SATWE和ETABS的整體計(jì)算結(jié)果，并且為了留有足夠的安全余地，將鋼筋用量再放大30%。鋼筋具體布置根據(jù)ANSYS有限元分析的應(yīng)力分布結(jié)果，在施工圖中作特別說(shuō)明，縱向主筋上下配足，腰筋在梁底部布置多一些，使轉(zhuǎn)換梁形成“拉桿拱”式受力機(jī)制。同時(shí)注意強(qiáng)剪弱彎的原則，箍筋配置充足，全長(zhǎng)加密，以防止剪切破壞。
　　4結(jié)束語(yǔ)
　　4.1帶局部轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，必須首先從整體上做好概念設(shè)計(jì)。根據(jù)結(jié)構(gòu)具體情況，不同部位的不同構(gòu)件應(yīng)按照規(guī)范不同章節(jié)確定其抗震等級(jí)。整體設(shè)計(jì)階段最好選用兩個(gè)結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件進(jìn)行比較分析，建立可靠的計(jì)算模型，分析、評(píng)判結(jié)構(gòu)總體受力特點(diǎn)，修改、優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)布置。
　　4.2轉(zhuǎn)換部位不僅包括豎向荷載轉(zhuǎn)換和水平荷載轉(zhuǎn)換，二者又分別包括荷載的平面內(nèi)轉(zhuǎn)換和X、Y方向的多維轉(zhuǎn)換。該部位構(gòu)件與其他常規(guī)構(gòu)件相比，尺寸龐大，應(yīng)力集中且分布復(fù)雜，在整體計(jì)算控制的前提下應(yīng)進(jìn)行必要的局部應(yīng)力分析。
　　4.3框支柱頂端內(nèi)力一般較大，有時(shí)難以滿(mǎn)足規(guī)范設(shè)計(jì)要求，此時(shí)可以采取加掖或向上延伸一層的方案處理。若建筑限制，則可采取:能伸到上部墻體的柱內(nèi)鋼筋，在柱頂不予截?cái)�，盡量向上伸到墻內(nèi)1-2層，以形成暗柱，緩解框支柱頂彎矩和剪力。亦可采取芯柱或勁性骨架柱。
　　4.4框支梁是上下層荷載傳遞樞紐，設(shè)計(jì)中應(yīng)留有足夠的安全儲(chǔ)備。彈性有限元分析后發(fā)現(xiàn)，其受力類(lèi)似深梁，內(nèi)部傳力機(jī)制接近斜壓拱，梁端頂部局部應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重。鋼筋布置應(yīng)盡量使腰筋在下部多些。箍筋起吊桿作用，應(yīng)全長(zhǎng)加密。建議轉(zhuǎn)換大梁所有鋼筋用量，由程序計(jì)算出來(lái)后再放大30%-40%(截面尺寸大，一般不會(huì)超筋)。同時(shí)盡量選取大直徑鋼筋，并保證鋼筋凈距不小于40mm，以便保證混凝土澆筑質(zhì)量。
　　
　　參考文獻(xiàn):
　　[1]徐培福.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].中國(guó)建筑工業(yè)出版社.
　　[2]JGJ3-2002，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].
　　[3]張志豪.論高層建筑工程中轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的運(yùn)用[J].建筑與規(guī)劃設(shè)計(jì).2008.121:38-39.       論文發(fā)表