高層建筑結構設計問題分析

【摘 要】換層結構在高層建筑設計中得到廣泛的應用。本文對具體的工程從設計角度提出了高層建筑轉換層的結構設計策略，對于轉換層結構設計中各種參數的控制計算及構造，結構上、下剛度突變的控制及措施進行了介紹。

【關鍵詞】剛度突變，轉換梁，框支柱及以上墻，設計

1 概述

從建筑使用功能而言，在設計中，通常將大柱網的購物商場、餐廳、娛樂設施設于多功能綜合性高層建筑的下層部分，而將較小柱網、較小開間的住宅、公寓、旅館、辦公功能的建筑設于中、上層部分。這種建筑使用功能的特點相應決定了多功能綜合性高層建筑結構體系的特點。由于不同建筑使用功能要求不同的空間劃分布置，相應地，要求不同的結構形式，如何將他們之間通過合理地轉換過渡，沿豎向組合在一起，就成為多功能綜合性高層建筑結構體系的關鍵技術。這對高層建筑結構設計提出了新的問題，需要設置一種稱為“轉換層”的結構形式，來完成上下不同柱網、不同開間、不同結構形式的轉換，簡單地說，就是上下兩層的結構不一樣，必需設置一個轉換層來“承上啟下”。結構上的轉換層概念，主要是指在整個建筑結構體系中，合理解決怪向結構的突變性轉化和平面的連續性變化的結構單元體系[1]。其中梁式轉換層以其受力明確、傳力途徑清晰、構造簡單等特點受到青睞，是高層建筑中應用最為廣泛的轉換層形式。

2 抗震分析及設計原則

轉換結構可根據其建筑功能和結構傳力的需要，沿高層建筑高度方向一處或多處靈活布置：也可根據建筑功能的要求，在樓層局部布置轉換層，且自身的這個空問既可作為正常使用樓層，也可作技術設備層，但應保證轉換層有足夠的剛度，以防止沿豎向剛度過于懸殊。對大底盤多塔樓的商住建筑，塔樓的轉換層宜設置在裙房的屋面層，并加大屋面梁、板尺寸和厚度，以避免中間出現剛度特別小的樓層，減小震害[2]。

研究得出，底部轉換層位置越高，轉換層上、下剛度突變越大，轉換層上、下內力傳遞途徑的突變就越加劇；此外，轉換層位置越高，落地剪力墻或簡體易出現受彎裂縫，從而使框支柱的內力增大，轉換層上部附近的墻體易于破壞。由于轉換層構件轉換層上部的部分豎向構件不能直接連續貫通落地，傳力復雜，在地震作用下框支層將產生很大的內力和塑性變形，抗震性能差，易造成震害，因此，必須設置安全可靠的轉換構件，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，提高其抗震構造措施，而對于底部帶轉換層的框架一核心簡結構和外圍為密柱框架的簡中簡結構的抗震等級不必提高。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。

3 工程實例

本文以某商住樓為研究對象，根據其建筑特點建設PKPM模型，對轉換層的梁、柱進行一體化抗震優化設計。本商住樓建筑面積41453㎡，底部為四層商業，并帶有四層錯房，上部26層為住宅，轉換層位于四層，屬高位轉換。主樓與裙房通過伸縮縫脫開。筏板基礎、結構安全等級為二級，地震基本烈度7度，地震基本加速度0.10g，抗震設防類別為標準設防，地基基礎設計等級為甲級，設計地震分組為第一組，建筑場地類別III，．框支柱抗震等級為特一級，框支梁抗震等級為一級，加強區落地剪力墻抗震等級為一級。基本風壓0.45KN/m2，地面粗糙度B類。平面布置中有3個核心筒（電梯、水管井及前室）剪力墻全部落地其它落地剪力墻根據剛心、重心調整相應加厚。工程計算采用SATWE、PMSAP、FEQ有限元分析及彈性時程分析。

3.1 轉按層上下結構剛度的突變相應產生的集中應力的處理

在盡量不影響建筑使用的前提下使盡可能多的剪力墻落地，并加大落地剪力墻的厚度，本工程落地剪力墻的厚度分別為350mm，400mm，500mm，600mm，并提高底部大空間的混凝土等級到C60。由于本工程轉換層位于四層，屬于位轉換在控制側穆剛度比的時候滿足《高規》E.0.2的要求，即轉換層上下側向剛度比盡量接近1且不大于2。以盡量減少轉換層上下的剛度突變，本工程控制為X方向1.800，Y方向1.900。由于落地剪力墻本就不多，所以落地剪力墻基本沒有另開洞口。由于轉換層樓面受很大內力，樓板變形顯著，所以本工程轉換層樓板厚度200mm，計算時定義彈性膜，為加強轉換層上下樓層的整體延性，轉換層上下各一層的樓板厚度加厚為150mm，加強層至轉換層以上2層。

3.2 框主梁計算及構造

轉換梁的截面尺寸一般宜由剪壓比計算確定，以避免脆性破壞和具有合適的含箍率。當轉換梁承托上部墻體滿跨不開洞時，轉換梁與上部墻體共同工作，其受力特征與破壞形態表現為深梁，此時轉換梁截面設 計方法中采用深梁截面設計方法或應力截面設計方法，且計算出的縱向鋼筋應沿全梁高適當分布配置。由于此時轉換槳跨中較大范圍內的內力比較大，故底部縱向鋼筋不宜截斷和彎起，應全部伸入支座。當轉換梁-承托上部墻體為小墻肢時，轉換梁基本上按普通梁的截面設計方法進行配筋計算，縱向鋼筋可按普通梁集中布置在轉換梁的底部。本工程轉換梁均按偏心受拉計算．鋼筋抗拉強度設計值按300N／m2計算，配筋時按360N／m2進行配筋，腰筋接受扭鋼筋配置，框支主梁腰筋直徑20，框支次梁腰筋直徑16，間距均大于200，框支梁上部縱筋至少半以上沿全梁貫通，遇到有框支次梁搭設的框支主梁，框支主梁上部縱箭的通長筋適當加多，并仔細計算因框支次梁傳遞過來的集中荷載。加設箍筋及彎起鋼筋，考慮到轉換層樓板傳力的復雜性，在主梁與次梁交接處設置水平掖。因為框支梁上部培體開洞較多，需在洞口及兩側的框支梁處箍筋加密，再者框支梁的梁高普遍較高。在框支梁的兩端也需要加密，本著強剪弱彎的原則框支梁全長采取了箍筋加密且滿足箍筋最小面積含箍率。框支梁縱向鋼筋采用機械連接，同一截面內接頭鋼筋的截面面積不超過全部縱向鋼筋截面面積的50%。接頭位置避開上部墻洞位置及主次梁交接位置。框支層可以看成下部樓層的頂層又可看成上部樓層的基礎，所以鋼筋錨固（尤其框支槳主筋及腰筋的錨同）要求不同于一般情況，應按照規范給出的特殊節點做法施工。

3.3 框支柱以上墻計算及構造

框支柱截面尺寸一般系由其軸壓比計算確定。地震作用下框支柱內力需調整：抗震設計對，框支柱的柱頂彎矩應乘以放大系數，并按放大后的彎矩設計值進行配筋。本工程共設計31根框支柱，底層框支柱承受剪力為各層中最大，底層框支柱承受剪力之和超過基底剪力的30％，為結構的整體安全設置了第二道防線。

框支柱全高加密，且在上部培體范圍內的縱向側筋伸入上部墻體一層，轉換層以上的兩層墻體由于結構剛度突變，引起應力集中，墻肢和連梁配筋以SATWE和FEO有限元分析的較大值作為依據，適當放大加強。

3.4 施工特點要求

轉換層的自重和施工荷載往往非常大，應選用合理的模扳支撐方案．并進行模板支撐體系的設計。設置模板盤撐系統后，轉換結構施工階段的受力狀態與使用階段是不同的，應對轉換梁及其下部樓層的樓板進行施工階段的承戟力的驗算。

對大體積混凝土轉換層，混凝土施工時應考慮采取減小混凝土水化熱的措施，防止新澆混凝士的溫度裂縫。

轉換層的跨度和承受的荷載都很大，其配筋較多，而且鋼筋骨架的高度較高，施工時應采取措施保證鋼筋骨架的穩定和便于鋼筋的布置。

利用鋼骨架或預應力卸荷。在轉換層結構中使用鋼骨混凝土和預應力技術可以減輕自重，改善結構的整體抗震性能。設計棰板支撐時可以利用己經成型的水平鋼骨或預應力平衡部分或全部施工甜載，極大改善支撐受力性能。

4 結語

根據高層綜合樓建筑功能的需要，選擇適宜的結構轉換層，不但可以節省材料用量，而且也可以節省建造費用。同時靈活的將建筑與結構統一，實現建筑之美。通過本工程對于帶高位轉換的轉換層等復雜高層的結構體系有了清醒的認識，有針對性的對結構薄弱層、薄弱部位及由于建筑設計方案帶來的抗風抗震設計缺陷有了宏觀的把握，并對集中工程設計軟件進行正確建模和相互對比，得到正確、完整的結果。對于高位轉換的轉換層結構應注意上下層的等效側向剛度比，防止底部位移突變，對于框支梁、框支柱及上部墻體的共同受力有了清晰的認識，為以后參與相似工程打下了良好的基礎。

參考文獻：

[1] 展衛， 孫建飛. 淺談高位轉換結構設計[J].建筑?建材?裝飾， 2008，9（8）.

[2] 谷萱. 對高位轉換結構設計的探討[J].廣西城鎮建設， 2004，（10）.