轉換層復雜高層結構設計探討

董建超 常躍州

河南科興建設有限公司（450000）

多功能的高層建筑，往往需要沿建筑物的豎向劃分為不同用途的區段，如底部商業上部住宅。

因建筑功能需要，下部為大空間，上部部分豎向構件不能直接連續貫通落地而通過水平轉換結構與下部部分豎向構件連接構成的高層建筑結構為帶轉換層的高層建筑結構。

帶轉換層高層建筑結構由于上下層豎向構件不連續，結構豎向剛度發生變化，轉換層上下樓層構件內力、位移容易發生突變，對抗震不利。由于底部剛度減小，因此震害下部較嚴重，同時由于豎向剛度的差異也會使上部樓層的震害加重，特別是與轉換層相鄰的樓層震害也較為嚴重。對于等強度結構，各樓層的屈服強度系數大致相同，因此地震作用下的各樓層層間側移大致相等，所吸收的地震能量沿高度分布比較均勻，各層的輸入能量和吸收能量處于穩定平衡,而帶有柔弱底層的多層建筑,由于底層的剛度和強度均較低，底層的屈服強度系數比上面各層小得多，因而地震作用下房屋的側移大部分集中于底層,上面各層的側移減小，本該由上面各層吸收的地震能量,很大一部分轉移到底層，以致底層需要吸收的能量超過其最大允許變形所能吸收的能量，其結果是底層嚴重破壞甚至倒塌。

因此設計時應從結構體系方面、構件布置方面、結構計算方面及配筋構造方面采取一定的抗震措施才能保證這種結構形式的抗震性能。

1 結構體系方面

由于該種型式的建筑物屬于豎向不規則體系，因此應盡量使建筑物平面形狀，剛度對稱，均勻。在轉換部位設計上，應考慮高位轉換對建筑物的不利影響,轉換層位于地面以上的層數，8度時不宜超過3層，7度時不宜超過5層，北京、上海、深圳等地比較早積累了高位轉換的設計經驗,不同的轉換部位，采取不同的技術措施，設計時可以參考借鑒。

2 構件布置方面

需注意各構件的抗震布置要求，并應減少扭轉的影響。首先，落地剪力墻的布置十分重要，落地剪力墻應加厚，并減少開洞，洞口應布置在墻體中部，同時墻體布置應均勻對稱，以減少扭轉影響。框支柱的布置應滿足一定的要求，以保證地震力可靠地重新分配。抗震設計時其截面尺寸應大于框支梁跨度的1/12，對于異形框支柱設計時應注意采取一定的抗震措施。框支層樓板的布置中應加強樓板的整體性，最小板厚為180 mm，樓板開洞要局部補強，同時加強配筋，樓板不能采用錯層布置，樓板邊梁的構造措施應加強，邊梁的梁寬不小于板厚的2倍，縱向鋼筋的配筋率不小于1%，鋼筋接頭宜采用機械連接或焊接。相臨樓層的樓板應加厚。框支梁的梁高抗震設計時，不小于計算跨度的1/6，梁寬不小于上部墻體厚度的2倍及400mm,轉換梁布置復雜時應進行局部應力分析以校核配筋結果。B級高度高層建筑不宜采用框支主次梁布置方案。轉換梁不宜開洞，轉換層上部墻體的布置應盡量規則、對稱，墻體分布均勻，轉換層上部結構與下部結構的抗側力結構剛心易接近。

在大截面框支柱抗震性能優化設計時，轉換層結構大部分剪力墻不落地，轉為由若干柱承受上部結構荷重。柱距受建筑功能制約，柱截面又要滿足軸壓比及上下層剪切剛度比的要求，一般常為大截面柱。某工程大圓柱直徑為1.8 m而層高僅4.0 m。轉換層柱下凈高只有2.7m，“短柱”不可避免。此工程柱凈高與直徑之比還不到2.0，所以必須作深入分析。與大圓柱相比，樓層梁剛度很小，設計時應盡量降低樓層梁的支座配筋量，增大跨中底部配筋，確保梁本身的強剪弱彎和轉換層以下結構的強柱弱梁。同時，大截面混凝土柱宜改為鋼管混凝土柱。設想，在罕遇地震時，梁端提早出現塑性鉸，降低了對柱的約束作用，大圓柱并非在“短柱”狀態下工作，又加上鋼管作用，提高了抗剪承載力和有較長的屈服階段，鋼管混凝土大大提高了柱的延性，提高了防倒塌能力，能確保“大震不倒”。

3 結構計算方面

由于帶轉換層的高層建筑屬于豎向不規則的復雜高層建筑，因此需采用兩種不同計算模型的計算軟件進行整體計算分析，同時應采用彈性時程分析的方法進行多遇地震作用下的結構計算。當高度較高時應進行罕遇地震下，結構薄弱層彈塑性位移驗算,以防止結構在預估的罕遇地震作用下倒塌。除了整體計算外，對受力復雜的構件還應補充局部應力分析驗算，例如轉換梁傳力途徑復雜時，墻體開洞復雜時等等。另外框支梁上部墻體應按混凝土高規給出的公式進行校核。地基基礎的計算，由于帶轉換層的建筑往往有一定數量的裙房，因此宜采用地基、基礎與上部結構共同作用進行計算分析,裙房與主體結構的沉降差應計算清楚并采取一定的設計施工措施，減少沉降差帶來的危害。

4 構件配筋設計方面

首先，落地剪力墻是主要抗側力構件，應加強配筋構造措施，抗震設計時水平及豎向分布鋼筋配筋率不小于0.3%。框支柱是重要的豎向受荷構件，抗震設計時，為提高其延性，規范規定了嚴格的軸壓比限值，同時應加強箍筋的配箍率，為加強對混凝土的約束作用，箍筋的型式應采用約束效果好同時利于施工的型式,框支層樓板是重要的受力構件，配筋需要特別加強，應采用雙層雙向配筋，每層每向配筋率大于0.25%。框支梁的配筋規范提出了較多的要求，這里需注意的是，僅了解規范的要求是遠遠不夠的，還應有扎實的力學知識，因為現有的計算軟件的計算結果，還有值得探討的地方，現有規范也不可能納入所有的設計經驗，應當注意積累地方經驗及發達地區經驗，不斷完善設計理論。