摘要：本文結合了一棟帶結構轉換層的高層建筑結構設計過程，比較了板式、梁式轉換層的優缺點，同時分析了鋼筋混凝土轉換梁與型鋼混凝土轉換梁的差別，提出了適用于本工程的型鋼混凝土主梁轉換與鋼筋混凝土次梁轉換相結合的主次梁轉換方案,分析了型鋼混凝土梁的承載能力。
　　關鍵詞：高層建筑；鋼混凝土框架；轉換梁分析；結構設計
　　某大樓是要求集商業、酒店辦公為一體的現代化高層建筑。設有一層地下室,地上主體結構27層(裙房6層),突出屋面的塔樓2層,地面以上建筑總高度108.7m。1～6層為商業用房,采用鋼筋混凝土框架－核心筒結構,6層以上為賓館及酒店式公寓，采用剪力墻－核心筒結構。為實現這種底部大開間與上部剪力墻之間的轉換,在主樓7層設置結構轉換層。結構主體采用鋼筋混凝土框架結構,部分構件采用型鋼混凝土組合結構。建筑平面如圖1所示(為表達清楚，圖中忽略轉換構件以外的平面圖,圖中灰色部分為底部框支結構,黑色部分為上部框支剪力墻）。
　　1結構方案確定
　　根據業主要求該建筑結構底部空間的部分柱子不能移動,上部框支剪力墻位置也不能移動,由此導致了上部框支剪力墻軸線與底部框支框架軸線錯開較多的情況(圖1）。初步方案擬采用厚板轉換層，這樣可以解決眾多軸線錯開的問題。但厚板轉換的傳力途徑不清楚,受力也十分復雜,同時為滿足抗剪和抗沖切的要求,初步計算板厚需要2.2～2.8m左右,考慮本工程轉換層設置在地面以上32.4m處,大體積混凝土在高空施工難度大。此外,厚板的巨大重量勢必會增大下部豎向構件的強度設計要求,同時,由于厚板的重量集中在結構中部,使得結構整體振動性能復雜,且該厚板轉換層剛度遠大于下層剛度,容易產生應力集中,地震反應強烈,對抗震十分不利。因此,厚板轉換層對本工程并不適用。
　　
　　圖1結構平面圖
　　傳力直接明確、途徑清晰、并且轉換梁受力性能好,施工也比較方便。但采用梁式轉換時，應使轉換梁直接承托上部剪力墻,盡量減少轉換次數,避免主次梁的復雜轉換形式。由于本工程上部剪力墻形式各異,底部的柱網間距較大且位置不能移動,主次梁轉換形式在所難免,本文認為,為解決該建筑平面、立面的多樣化給結構設計帶來的難題，應該突破原有的經驗和傳統的結構概念,即：經過合理的概念設計、依托規范規程及借助已有電算手段,對主次梁轉換形式進行詳細分析,采取可靠措施,則主次梁的轉換形式是可行的。框支主次梁平面圖如圖2所示。
　　
　　圖2框支主次梁平面圖（忽略轉換層以外的平面圖）
　　2轉換梁截面尺寸確定
　　由于轉換梁的結構一般是按剪壓比所控制,為了初步的確定轉換梁尺寸,可以按下式進行計算：Vb≤0.15fcbh/γRE（1）
　　式中,fc為轉換構件混凝土抗壓強度設計值；b、h分別為轉換構件截面寬度和高度；Vb≈(0.6～0.8)V0，V0為框支梁按簡支狀態計算的所有重力荷載作用下支座截面剪力設計值。
　　現擬定框支梁混凝土強度等級為C50,跨度8.4m，γRE=0.85,并根據實際平面布置情況,取截面寬度b≈800mm，按式（1）計算后，梁尺寸為800mm×2500mm（b×h）。實際電算結果是，當梁尺寸為800mm×2800mm時仍有部分框支梁抗剪不足,而根據建筑實際要求,轉換梁控制高度為2m。
　　要是使用鋼骨混凝土為梁,可依據有關規范規定：型鋼混凝土梁截面尺寸可按下式進行計算：
　　Vb≤0.36fcbh/γRE（2）
　　由以上的二種公式為比較可知,在其他條件不變的情況下,若采用型鋼混凝土梁,理論上可使截面高度約降低70%,同時自重的減少可使Vb也減少,進而進一步降低梁高。
　　在經過多次試算后,最后采用了型鋼混凝土轉換主梁與鋼筋混凝土轉換次梁相結合的主次梁轉換方案,具體結構平面如圖2所示。其中,型鋼混凝土轉換主梁布置在主體框架,與型鋼混凝土框支柱相連,如圖2中實線所示；鋼筋混凝土次梁與型鋼混凝土梁等高連接,如圖2中虛線所示。
　　3計算結果分析
　　3.1整體計算
　　為了分析主次梁的方案可行性,對該結構進行了整體的計算。設計參數：采用SATWE、PMSAP軟件進行對比計算。風荷載按百年一遇取0.45kN/m2；抗震等級：框支框架、底部加強區均為一級；裙房為三級；地震作用按剪彎剛度分析模型并考慮扭轉耦聯,共計算24個振型,結構嵌固部位取在±0.000處，計算結果見表1。
　　表1結構整體計算的部分結果
　　
　　3.2彈性時程分析參數
　　可以采用天然TH1TG035、人工波RH1TG035及ELcentro波進行計算。地震加速度時程曲線的最大值為35cm/s2，結構阻尼比取5%。時程分析得到的x方向結果見圖3。
　　
　　圖3彈性時程分析結果
　　（a）最大樓層位移曲線；（b）最大樓層剪力曲線；（c）最大樓層彎矩曲線
　　3.3計算結果分析
　　①振型曲線符合規律；
　　②最大層間位移角<1/1000；最大層間位移與平均層間位移之比<1.4，均滿足規范要求；
　　③從圖3（a）中可以看出,曲線在轉換層處由剪切型過渡到彎曲型,符合變形規律,此外,框支層曲線較上部框支墻平緩,說明底部剛度較上部框支剪力墻略小,與剛度比計算結果符合；
　　④時程分析的最大位移平均值小于反應譜法計算的位移值,時程分析的最大樓層剪力與彎矩均小于反應譜法的計算值；動力時程反應分析復核結果表明，不需要調整整個樓層構件的內力和配筋。
　　4型鋼混凝土轉換梁分析
　　建筑結構的關鍵是轉換梁,而型鋼混凝土的轉換主梁在承托自身上部剪力墻的同時還承托轉換次梁及次梁上的剪力墻。為提高其承載力,必將增大轉換梁的剛度,但過大的轉換梁剛度將導致轉換層上下剛度比相差懸殊,對整體抗震性能反而不利。因此,在確保型鋼混凝土轉換梁承載力情況下,需要對轉換梁截面尺寸進行優化。經過多次試算,型鋼采用三種截面（表2）。考慮所采用的分析程序在計算型鋼混凝土梁時可能出現偏差,為確保安全,需要對轉換梁的承載力進行復核。根據程序計算結果,提取每種型鋼混凝土梁截面對應的最大內力,并根據《鋼骨混凝土結構設計規程》（YB9082-1997）進行計算，經多次計算并修改分析程序的錯誤配筋,使得每根轉換梁承載力均大于程序的分析內力。同時,由于鋼骨規程采用疊加方法,即未考慮型鋼與混凝土共同工作,故本次采用的型鋼混凝土梁是安全的。
　　表2型鋼混凝土轉換梁
　　
　　五、整體結構設計
　　除了計算的結果滿足規范要求以外,還應保證結構的安全，應采取以下措施：①由于商場使用功能限制,落地剪力墻數量明顯偏少,且由圖1可以看出,核心筒位于y向上方,使該結構平面也不規則,地震作用下容易形成較大扭轉。因此,為減少扭轉,經多次協商,在⑥軸y向增加落地剪力墻,并且在弧形梁中間柱的兩邊布置貫通整樓的剪力墻,這樣雖然損失了部分建筑功能,但把扭轉效應降低到規范規定范圍內,扭轉周期也由第一周期降低到第三周期，抗震性能大為提高；②③由于建筑的核心筒y向剛度過大,在框支剪力墻布置時,外圍剪力墻的x向長度應適當加長,內部剪力墻由于建筑需要，只能適當將y向長度加長,使得框支剪力墻墻肢高厚比均大于8,避免采用短肢剪力墻。此外，將核心筒y向厚度由400mm減到300mm,上述調整使得轉換層上下剛度比、位移比等指標滿足要求，整體性能及抗震性能得到改善；③轉換層樓板要完成上、下層剪力的重新分配，在自身平面內受力很大,本項目樓板厚度按200mm設計，轉換層上部七層根據建筑需要,設置空心板,板厚取200mm,地下室頂板厚度取180mm,部分取220mm進行設計,上述樓板配筋均按規范加強；④框支梁主體框架采用型鋼混凝土梁以提高抗震性能，其他轉換次梁采用鋼筋混凝土梁。柱子全部采用型鋼混凝土柱以實現與型鋼混凝土梁的連接；⑤部分地方由于建筑功能需要,框支剪力墻與框支梁軸線錯開,為減少框支梁的巨大扭矩；在剪力墻墻肢處（該處為扭矩集中作用點）設置與框支梁垂直的抗偏梁,從而抑制框支梁關鍵部位的出平面變形尤其是角變位；⑥在型鋼混凝土框支梁與核心筒連接處設置型鋼混凝土構造柱，使梁上應力平穩地傳遞到核心筒中，滿足“強柱弱梁”要求；⑦由于轉換梁是建筑的受力關鍵，且應力分布復雜，在型鋼混凝土框支梁、柱的型鋼上沿全長設置直徑為22mm、長度90mm、間距150mm的栓釘，以保證內力的可靠傳遞；⑧為保證梁柱連接節點可靠傳力,梁翼緣與柱采用全熔透坡口對接焊縫,梁腹板與柱通過連接板采用高強螺栓連接。水平加勁肋與柱型鋼翼緣采用坡口焊，與腹板采用雙面角焊縫。
　　六、結語
　　在上部框支剪力墻軸線與底部框支框架軸線錯開較多時,根據概念設計、規范規程及已有電算手段進行合理的分析,并采取可靠的措施,采用主次梁進行轉換是可行的。本文通過建立不同分析模型,對大樓的型鋼混凝土框支轉換層結構進行了計算分析,并對轉換構件進行了對比。分析表明采用型鋼混凝土可以有效降低梁高,提高抗震性能。
　　參考文獻
　　[1]JGJ138-2001型鋼混凝土組合結構技術規程[S］.
　　[2]劉一威.高層建筑框支柱、框支梁及剪力墻偏軸的結構設計[J］.建筑結構,2003,33(9)：37-39.
　　[3]李勇,婁宇,吳壽泉.上海中欣大廈轉換層結構設計[J].建筑結構,2000,30(1):43-46.
　　[4]唐興榮.高層建筑轉換層結構設計與施工[M].北京:中國建筑工業出版社,2002.