高層建筑的結構轉換層設計

黃 磊

(溫州設計集團有限公司，浙江 溫州 325000)

高層建筑的結構轉換層設計

黃 磊

(溫州設計集團有限公司，浙江 溫州 325000)

分析了高層建筑梁式轉換框支剪力墻結構設計中的常見問題，以溫州地區一高層框支剪力墻設計工程為例，對梁式轉換結構的設計要點及其采取的處理措施進行了詳細研究，以確保建筑結構的整體安全。

轉換層，扭轉效應，結構設計，高層建筑

0 引言

出于對建筑功能的考量，高層建筑方案常采用上部剪力墻小空間為主、底部大空間商業辦公為主的設計理念，結構上表現為上部為剪力墻結構，下部為框架結構，兩種相異的結構交匯催生了轉換結構的誕生。常見的轉換結構有梁式轉換、大板轉換，其中前者以其輕巧、經濟廣為設計師們采納。梁式轉換結構由于部分上部剪力墻不能落地，需由截面尺寸較大的梁柱抬起以滿足下部大空間的要求。梁式轉換框支剪力墻結構施工便捷、荷載傳遞清晰，但在結構設計計算方面仍面臨著諸多問題：

1)梁上支撐大片剪力墻，致使梁上線荷載較大，梁柱節點應力集中，地震作用下極易首先破壞，節點處的抗震構造措施尤為重要。

2)大片墻體致使整個梁全截面內力較大，梁跨中彎矩及支座負彎矩較大，梁配筋較多，合理配筋對于施工質量保證具有重要意義。

3)為滿足下部大空間需求，加之支撐上部較重剪力墻，轉換梁截面較大，合理選擇梁截面對于建筑功能發揮、結構合理受力有著重要影響。

由此可見，結構類型的轉換使得下部結構構件內力較大，構件及節點受力形式區域復雜，選擇合理的梁截面，采取有效的抗震構造措施，優化構件配筋對于梁式轉換結構的合理受力及質量保證具有重要意義，基于此，本文以溫州地區一高層框支剪力墻設計實例介紹梁式轉換結構的設計要點及采取的方法與措施。

1 工程概況

該工程位于溫州市廣化路安置B地塊,為一高層建筑。其地下1層為車庫,層高4.9 m;地上1層、2層均為商業，層高5 m;3層以上均為住宅,層高2.9 m，地上31層,總高93.4 m，該項目為底商上部住宅，安全等級為二級，屬于標準設防，6度設防，地震加速度為0.05g，Ⅳ類場地土，地震分組為一組，粗糙度為C類，基本風壓為0.7 kN/m2。為滿足建筑底部商業功能需求，結構方案選擇底部框架，上部剪力墻的結構形式，即框支—剪力墻結構。梁式轉換框支—剪力墻結構的設計關鍵在于底部轉換框架的設計及上部剪力墻的合理布置。

2 概念設計與結構布置

該項目屬于典型的框支剪力墻梁式轉換的結構類型，根據《高層建筑混凝土結構技術規程》，底部加強部位及框支柱抗震等級為二級,非底部加強部位剪力墻抗震等級為三級。

轉換結構選型與布置：轉換結構的突出特點是豎向抗側力構件不連續，部分豎向構件不能落地，致使豎向荷載不能直接傳至基礎，較大豎向荷載均通過下部框架結構下傳至基礎，由此造成下部結構構件受力復雜，內力較大，因此GB 50011—2010建筑抗震設計規范、JGJ 13—2010高層建筑混凝土結構技術規程對于轉換結構的轉換構件設計、整體結構控制指標、配筋及相應節點構造措施給出了明確的規定，以此確保上部剪力墻結構與下部框架結構的可靠連接及整體結構的安全性。梁式轉換結構相對較為經濟，荷載傳遞明確，現有該類轉換結構竣工建成項目較多，設計理念及施工工藝非常成熟，不存在理論與技術實施難題，因而本項目選用梁式轉換結構。轉換層的存在使得主體結構上下不同結構類型交界處剛度突變，剛度驟變對于地震作用尤其不利，結構方案設計應盡量避免側向剛度的不連續，盡量使得兩種不同結構交接位置剛度連續均勻變化。為解決抗側力構件剛度交接位置剛度突變的問題，轉換層結構設計過程中要注意如下兩點：1)避免剪力墻全抬，確保一定數量的剪力墻起落地，增大底部剪力墻墻體厚度，適度加大框支框架柱的截面，以此在確保上下部剛度一定連續的程度上加大底部框架的剛度；2)針對上部剪力墻結構，宜適度增大墻肢間距，縮小剪力墻長度、減少墻體數量等措施，調節轉換層上下剛度達到均勻變化，平穩過渡，避免抗側剛度劇變，上部結構通過少量剪力墻與核心筒一起承擔水平側向力。此外為確保單片剪力墻自身的穩定性，墻體布置時宜結構建筑功能分區，將剪力墻布置為T形、L形、C形為宜。底部框支框架在布置時也宜結構建筑功能劃分，將可以下落的剪力墻落地，在大空間區塊布置框支柱作為豎向承載構件。由于框支柱上部支撐轉換梁，且梁上荷載較大，框支柱相比于常規框架柱截面較大，為滿足強柱弱梁的概念設計，確?？蛑е哂凶銐虻难有院妥冃文芰?，框支柱在地震作用下不首先出現柱鉸的破壞形態，能夠有效吸收地震力，因而，框支柱設計時應嚴格控制其軸壓比不大于0.6，適度增加柱子的體積配箍量及配筋率，相對于普通柱前者宜增加0.02，后者不小于1.5%，且框支柱縱筋的連接應全部采用機械連接，全高加密箍筋。除此之外，在底部框支框架強度及延性得到保證以外，樓蓋的剛度也不宜忽視，樓蓋將上部荷載通過墻體及柱子傳至下部框支框架，此外樓蓋還要協同轉換梁工作，為確保面內剛度的連續有效，轉換層的樓蓋板厚通常不宜小于200 mm，以確保剛度的連續及荷載有效傳遞。

3 結構計算

本項目采用傳統的空間有限元軟件SATWE進行分析計算。根據項目方案階段上部剪力墻的布置方案，首先布置框支柱，并根據建筑高度和框支柱柱跨預估轉換梁截面，建立整體結構模型經由SATWE整體分析計算，根據規范驗算梁端梁截面的抗剪能力(即V≤0.15fcbh/0.85)。通過試算本項目框支框架相關梁跨、梁柱截面為：轉換層所在層層高5 m，最大梁跨6.5 m，基于梁寬大于墻寬、梁高大于1/6梁跨的要求，轉換梁截面選擇為700 mm×1 400 mm，另根據軸壓比0.6的限值，框支柱最大選用截面為950 mm×1 050 mm。在高層建筑結構計算過程中尚需要考慮扭轉偶聯效應及模擬施工加載，通過對比計算分析可知，施工模擬加載1的配筋相對施工模擬加載3較大，故對于部分不合理配筋處應進行人工校核。此外對于結構層間位移角、位移比、周期比以及底部剪力墻分擔地震剪力的大小均可以由SATWE整體分析得出，結合GB 50011—2010建筑抗震設計規范、JGJ 13—2010高層建筑混凝土結構技術規程兩本規范調整以達到規范要求。此外，對于一些結構構件采取以下構造措施:

1)轉換梁及其門窗洞口處的剪力墻在支座處剪力較大，應適當加密箍筋配置，在轉換梁端的門窗洞采取加腋和箍筋加密的方式提高抗剪承載力。

2)框支框架上部剪力墻設置的門窗洞口連梁在設計時應滿足“強剪弱彎”，并保證梁內的配筋量，配置交叉斜筋，保證梁內塑性鉸的出現。

4 構造措施

概念設計對于確保整體結構的安全可靠性具有重要作用，采取合理必要的結構構造措施是進行抗震設防的有效途徑與方法，因此本工程采用了以下構造措施：

1)轉換結構在設計過程中，控制剛度突變是結構設計的首要目的，根據規范要求，不同結構類型上下剛度不應大于2,故在結構設計時本項目底部加強部位剪力墻厚度取300 mm，3層以上為240 mm；混凝土等級C40，3層以上C35～C25。為使建筑剛心與質心接近重合，特在底部南側增設部分剪力墻，以與剛度較大的北部核心筒相協調，減少整體結構的偏心進而降低結構的扭轉效應，增加了底部框支框架的剛度，確保整體結構的剛度比滿足限值要求。

2)轉換層樓板厚度取值200 mm，確保樓板的平面內外剛度，加強樓板與轉換梁的協同工作能力，使得水平荷載能夠有效的傳遞，此外轉換層樓板采用雙層雙向配筋，控制單一方向配筋率不低于0.25%，增加結構的整體性。

3)剪力墻在布置時宜增大墻肢長度，降低轉換梁跨中荷載，減小跨中彎矩進而縮小梁高及配筋，短肢墻體宜布置在框支柱上。墻體類型盡量少采用一字形，宜以L形、T形、C形為主。

5 鋼筋混凝土剪力墻住宅結構設計

框支剪力墻結構在設計過程中上部剪力墻的平面布置對于下部轉換框架有著重要影響，合理的剪力墻布置方案對于建筑功能的發揮及底部框支框架的合理受力有著重要意義。墻體布置的基本原則即根據建筑空間功能分割優先確定梁的布置，進而根據梁的支座需求布置剪力墻，即在房屋四角、外側轉角處布置墻體。墻體類型宜以L形、T形、C形為主，盡量避免布置一字形墻體，因為前者墻體自身具有良好的穩定性。上部剪力墻結構的抗側能力與總體墻肢數量即厚度有著本質關系，合理配筋率的長厚墻具有較大的側向剛度，地震作用下具有良好的穩定性能和較高的承載能力。為確保豎向抗側力構件的最基本的抗側剛度，GB 50011—2010建筑抗震設計規范，JGJ 13—2010高層建筑混凝土結構技術規程規定落地剪力墻承受的傾覆力矩不小于結構底部總地震傾覆力矩的50%，以此限制框支柱所承受的傾覆力矩，確保剛度的基本連續性。

6 計算結果數據分析

本項目為帶有轉換層的高層單塔結構。整體建模計算時選取30個振型，經過計算x向振型質量參與系數為98.35%,y向有效質量系數為96.34%。該項目在計算參數設置時需要考慮地震作用下的藕連效應，鑒于建筑形體屬于不規則，故計算分析時考慮15°斜向地震作用。經過計算分析可知，主體結構剪重比為0.02～0.03，周期比為0.81，由此可知地震作用計算滿足規范要求，建筑剛度與建筑質量偏心較小，結構不存在扭轉不規則，表明建筑結構剪力墻及框支框架布置合理。本工程經計算表明轉換層上下剛度比在1.1左右，剛度平穩均勻過渡，剪力墻體系與框架體系剛度突變不甚明顯，上部結構物薄弱層，結構剛度的均勻變化說明豎向構件布置合理。結構計算所得最大層間位移2.16 mm,層間位移比為1/1 391,小于規范規定的限值。在框支框架柱的延性方面，軸壓比也均控制在0.6以下，轉換梁的減壓比在0.17以下，使得框支框架在地震荷載作用下具有良好的延性。

7 結語

根據該框支剪力墻項目的結構方案布置及其結構計算分析結果可知：

1)梁式轉換結構設計時應在概念設計層面優先把握結構體系的選擇及其結構方案的布置，對于高層建筑的扭轉、剛度及其局部墻體穩定性應在概念層面解決，優化結構平面布置，以縮小結構計算過程中模型調整周期。

2)合理布置梁式轉換結構上部剪力墻，避免短肢墻體出現，增加底部落地剪力墻墻體厚度，確保一定數量剪力墻落地以保證豎向剛度的連續。

3)框支框架與上部剪力墻交接的轉換層宜增加樓板厚度，適當增加底部框架柱的截面尺寸，延緩轉換層處剛度的突變，使得建筑抗側剛度隨著層高漸變。

總之，方案階段的概念設計、合理的上部剪力墻平面布置及底部框支框架的合理設計對于框支剪力墻結構的經濟安全性具有重要意義。

[1] JGJ 3—2010,高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[2] GB 50011—2010,建筑抗震設計規范[S].

[3] 徐培福,傅學怡,王翠坤.復雜高層建筑結構設計[M].北京:中國建筑工業出版社，2012.

[4] 熊進剛.有梁式轉換層的高層建筑結構設計與研究[M].北京:工業建筑出版社，2013.

Design of high-rise building structure conversion layer

Huang Lei

(WenzhouDesignGroupCo.,Ltd,Wenzhou325000,China)

The paper analyzes common problems existing in shearing wall structure design of high-rise building conversion layer. Taking high-rise frame shearing wall design engineering in Wenzhou region as an example, it specifically studies beam-style conversion structure design points and processing measures, with a view to guarantee integral building structure safety.

conversion layer, torsion effect, structural design, high-rise building

1009-6825(2015)07- 0029- 02

2014-12-30

黃 磊(1981- )，男，工程師

TU973

A