淺議高層建筑轉換層結構的設計

徐志杰

1 高層建筑結構轉換層的特點

轉換結構構件需要承受其上部結構所傳下來的巨大豎向荷載或懸掛下部結構的多層荷載，使得轉換結構構件的內力很大，豎向荷載成了控制轉換結構構件設計的主要因素。轉換結構構件通常具有數倍于上部結構的跨度，轉換結構構件的豎向撓度成為嚴格控制的目標。因此為保證轉換結構有足夠的強度和剛度，致使結構構件的截面尺寸不可避免地高而大。

結構中由于設置了轉換層，沿建筑物高度方向剛度的均勻性會受到很大的破壞，力的傳遞途徑有大的改變，為豎向不規則結構，這決定了轉換層結構不能以通常結構來進行分析和設計。豎向不規則結構的定義見抗規第3.4.2條規定，豎向不規則的類型見表1。

表1 豎向不規則的類型

2 轉換層的結構布置

底部帶轉換層的建筑結構，轉換層上部的部分豎向構件不能直接連續貫通落地，因此，必須設置安全可靠的轉換構件。按現有的工程經驗和研究結果，轉換構件可采用轉換大梁、析架、空腹析架、斜撐、箱形結構以及厚板等形式。

由于轉換厚板在地震區使用經驗較少，可在非地震區和6度抗震設計時采用，對于大空間地下室，因周圍有約束作用，地震反應小于地面以上的框支結構，故7度，8度抗震設計時的地下室可采用厚板轉換層。

落地剪力墻和框支柱的布置對于防止轉換層下部結構在地震中倒塌將起十分重要的作用。

高規規定了幾條重要原則:帶轉換層的筒體結構的內筒應全部上、下貫通落地并按剛度要求增加墻厚;框支剪力墻結構要有足夠的剪力墻上、下貫通落地并按剛度比要求增加墻厚;長矩形平面的框支剪力墻結構，抗震設計時，其落地剪力墻的間距按原規程適當加嚴，比原規程增加了限制落地柱周圍的樓板不應錯層的規定。

這幾點的原則是防止轉換層下部結構破壞的基本要求，特別是對于抗震設計的結構，要求更加嚴格。

遵守這些原則就可控制剛度突變，減少內力傳遞的突變程度，縮短轉換層上、下結構內力傳遞途徑，保證轉換層樓蓋有足夠的剛度以傳遞不同抗側力結構之間的剪力，防止框支柱因樓蓋錯層發生破壞。

框支剪力墻轉換梁上一層墻體內不宜設邊門洞、中柱上方不宜設門洞。試驗研究和計算分析說明，這些門洞使框支梁的剪力大幅度增加，邊門洞小墻肢應力集中，很容易破壞。此外，落地剪力墻和筒體的洞口宜在墻體的中部，以便使落地剪力墻各墻肢受力(剪力、彎矩、軸力)比較均勻。

3 轉換層高層建筑結構的抗震設計

帶轉換層的高層建筑結構中，由于設置了轉換層，沿建筑物高度方向剛度的均勻性受到很大的破壞，轉換層結構豎向承載力構件不連續和墻、柱截面的突變，導致傳力路線曲折、變形集中和應力集中，因此轉換結構的抗震性能較差。

抗震設計時，高位轉換對結構受力十分不利。計算分析說明，在水平地震作用下，傾覆力矩分布曲線在轉換層處呈現轉折，轉換層下部是以剪力墻為主的框架—剪力墻結構，落地剪力墻所分配的傾覆力矩由轉換層往下遞增較快，而支撐框架的傾覆力矩遞增很少。

此外，轉換層處，框支剪力墻的大量剪力通過樓板傳遞給落地剪力墻，這也是傾覆力矩曲線呈現轉折的原因。當轉換層位置較高時，剪力分配和傳力途徑亦發生急劇的突變，落地剪力墻更容易產生裂縫，框支剪力墻在轉換層上部的墻體所受內力很大，易于破壞，轉換層下部的支承框架更易于屈服，從而容易形成幾個薄弱層。

因此，為保證設計的安全性，規定部分框支剪力墻結構轉換層的位置設置在3層以上時，其框支柱、剪力墻底部加強部位的抗震等級宜按高規規定提高一級采用，已經為特一級時不再提高，提高其抗震構造措施，而對于底部帶轉換層的框架—核心筒結構和外圍為密柱框架的筒中筒結構的抗震等級不必提高。

底部帶轉換層的高層建筑在我國已大量建造，但至今未經受到大地震的考驗。其轉換層上部樓層的部分豎向構件不能連續貫通至下部樓層，因此，轉換層是薄弱樓層，其地震剪力需乘以1.15的增大系數。設計中不要誤認為只要樓層側向剛度滿足要求，該樓層就不是薄弱層。

對轉換層的轉換構件水平地震作用的計算內力需調整增大; 8度抗震設計時，還應考慮豎向地震作用的影響。轉換構件的豎向地震作用，可采用反應譜方法或動力時程分析方法計算:作為近似考慮，也可將轉換構件在重力荷載標準作用下的內力乘以增大系數1.1。

高規中對框支柱的內力增大幅度比較高;轉換層位置在3層及3層以上的結構對抗震更為不利，其內力增大幅度也適當提高。

高層建筑轉換層結構是一種受力復雜的不利抗震的高層建筑結構，抗震設防烈度9度(0.4g)時不應采用。帶轉換層高層建筑結構的抗震設計可根據設防烈度、結構類型、構件種類和房屋高度，采用相應抗震等級進行相應的計算和采取相應的構造措施。

4 轉換層上下結構側向剛度比的合理取值

轉換層上部與下部結構的等效側向剛度比計算時宜綜合考慮各構件的剪切、彎曲和軸向變形對結構側移的影響。

當轉換層設置在3層及3層以上時，其樓層側向剛度尚不應小于相鄰上部樓層側向剛度的60%。這一規定是為了防止出現轉換層的下部樓層剛度較大，而轉換層本層的側向剛度較小，此時等效側向剛度比雖能滿足限值要求，但轉換層本層的側向剛度過于柔軟。層側向剛度比的限值取60%，與美國規范(IBC-2000)的規定相同。高規第4.4.2條只規定了樓層側向剛度不宜小于相鄰上部樓層側向剛度的70%，未規定下限值。對于位于3層及3層以上的帶轉換層的高層建筑結構，規定60%作為下限值是十分必要的。

當轉換層設置在3層及3層以上時，應按高規規定分別計算等效側向剛度比和轉換層本層與轉換層相鄰上部樓層側向剛度比，設計中應同時滿足這兩種剛度比的限制條件。

高層建筑轉換層結構設計中轉換層上、下層主體結構的剪切剛度比γ的合理取值:

1)擴大外圍柱距的框筒結構或內部抽柱的框架結構。

對這種情況的結構γ應取1，即保持上、下層剪切剛度不變。

在一般情況下，由于建筑功能上要求下部柱子截面小，層高要比上層高許多，因此很難滿足上述要求。此時建議轉換層以下采用鋼骨混凝土柱或鋼管混凝土柱，這樣來調整柱的截面面積、剛度和延性，從而達到滿足建筑功能的要求。但這時應特別注意轉換層上、下的連接，當轉換層上部為鋼筋混凝土時，應將下部鋼骨混凝土柱錨入轉換層內。

2)底部大空間剪力墻結構。

由于底部大空間剪力墻結構的底層高大以及部分剪力墻不落地改為框支后，底部剛度顯著減小，為防止底部層剛度突變，應控制轉換層上、下剪切剛度比(γ):當底部大空間為1層時，轉換層上、下結構等效剪切剛度比γ宜接近1，非抗震設計時γ不應大于3，抗震設計時γ不應大于20。

5 結語

本文討論的只是建筑轉換層結構設計中的一部分內容，轉換層設計是結構設計中的難點，還有許多需要研究的地方，有待進一步從實踐中論證。隨著現代高層建筑平面復雜多樣化，在對轉換層進行設計時應結合工程實際情況選擇合適的方法，才能達到安全、經濟的綜合效果。

［1］ JGJ 3-2002，高層建筑混凝土結構技術規程［S］.

［2］ GB 50011-2001，建筑抗震設計規范［S］.

［3］ 趙西安.高層建筑結構實用設計方法［M］.第3版.上海:同濟大學出版社，2007.

［4］ 毛華毅.淺談高層建筑結構設計的若干問題［J］.山西建筑，2010，36(9):72-73.