高層建筑轉換層結構設計

摘要：隨著我國建筑不斷以多樣化、不規劃的建筑形式出現，這些不規則給結構抗震設計也帶來的很大難度。多樣化以轉換層為主，多樣空間結構、體形怪異等建筑如雨后春筍。本文根據工程實例，對建筑厚板轉換層的設計及施工進行探討。

關鍵詞：建筑工程;厚板轉換層;結構設計

一、工程概況

某建筑工程地下兩層，地下一層為車庫，地下二層為平戰結合六級人防，集商業、住宅為一體的綜合建筑。裙房頂部設置室內游泳池，住宅樓的正方形平面與裙房柱網形成30"角扭轉，可以得到充足的日照，同時讓兩幢樓更富有空間特色。

二、結構選型

項目A、B"座塔樓（圖la），四層以上為住宅，采用剪力墻結構;四層以下為商業用房，要求有較大的柱網，采用框架剪力墻結構。四層以上墻體除樓、電梯間墻體落地以外，大部分墻體未落地，其內力需經轉換構件來傳遞（見圖lb、c）。

（a）部面圖

（b）3層平面圖

（c）4層平面圖

圖l"項目東A、B"座塔樓剖、平面圖

由于轉換層以上兩個剪力墻結構的塔樓，其平面與四層以下為框架剪力墻結構的柱網扭轉30"角，塔樓墻體除一小部分落至下層外，其它墻體大部分不在柱網之上。如果用梁式、桁架轉換或箱式轉換，轉換構件太多且很難布置，部分剪力墻需經幾次傳遞方能傳至柱網的主要轉換構件之上，形成轉換梁連接轉換梁的多次傳遞，使傳力途徑過于復雜。根據分析，本工程采用厚板做為轉換構件。

三、結構整體設計及分析

（一）主要設計參數

本工程場區的地震基本烈度為7"度;III類場地土。基本風壓為0.45"kN/m2。

本工程為雙塔樓大底盤厚板轉換層結構體系。轉換層厚板板厚1.9m。轉換層上住宅雙塔樓為剪力墻結構，剪力墻厚200mm;轉換層以下的框支柱選擇為Φ1300mm"圓柱，采用螺旋箍筋，體積配箍率。由于圓柱有良好的抗震性能和延性及截面剛度的無方向性，對本工程的轉換層以上塔樓平面與底盤平面非正交的結構平面布置極為有利。

（二）轉換層上下剪切剛度比值的控制

由于建筑功能的特殊性，雙塔樓剪力墻落至轉換層以下的墻體不多。本工程通過加設底盤主樓范圍以外的附加剪力墻，即加強大底盤內兩塔樓之間的剛性聯系，使底盤平面內剪力墻布置均勻，又有利于控制主體結構的剛度變化率。同時，由于本工程轉換構件采用了厚板，其轉換板剛度及質量均很大，從而引起該處產生的地震效應也很大，有應力集中現象（參見圖2a"剪力包絡圖）。為此，保證主體結構豎向剛度的均勻性是非常重要的。本工程轉換層上塔樓剪力墻下落較少（建筑功能要求），且塔樓扭轉30°角，致使塔樓所處部位的局部上下層剪切剛度比很難控制，故設計中采用縮小柱網、均勻布置框支柱的方案，以改善并提高轉換層以下結構的受力性能。由于本工程的大底盤較小且柱網較密，轉換層上兩塔樓距離較近，轉換層厚板剛度很大，所以整體結構剛度較好。因此，剪切剛度比按整體控制。

根據JGJ3"-93《鋼筋混凝土高層建筑結構設計與施工規程》第2.4.5"條規定，上下層剛度比宜接近1;非抗震設計時不應大于3;抗震設計時不應大于2，其值按下式計算：

式中，分別為第層、第層的混凝土剪變模量，折算抗剪截面面積，層高;為所計算方向上，剪力墻全部有效截面面積;為全部柱截面面積。

本工程的值控制在1左右，從計算的振型曲線及位移曲線上看，其曲線較為光滑、無畸變，效果較為理想（參見圖2b）。

圖2""塔樓A的剪力及位移包絡曲線

（三）計算結果

本工程采用中國建筑科學研究院建筑結構研究所的高層建筑設計計算程序TBSA、TAT進行整體計算。其結構自振周期、剪力及位移計算結果列于表1、表2;塔樓A與塔樓B的剪力及位移包絡曲線相同，圖2給出了塔樓A的剪力及位移包絡曲線。

表1"結構自振周期（s）

程序

TBSA

0.985

0.941

0.387

1.103

1.090

0.379

TAT

0.965

0.903

0.387

1.064

0.966

0.379

表2"剪力及位移

計算

內容

基底剪力

塔樓A

塔樓B

頂部

位移

最大層間

位移

頂部

位移

最大層間

位移

Qo（kN）

u

（mm）

u/H

△u（mm）

△u/H

u

（mm）

△u/H

△u

（mm）

△u/H

地

震

20417

13.9

1/5605

0.81

1/3578

13.2

1/5689

0.81

1/3578

18688

14.1

1/5507

0.86

1/3367

14.5

1/5349

0.86

1/3367

風

載

5906

6.7

1/9999

0.37

1/7907

6.7

1/9999

0.37

1/7907

6905

8.3

1/9322

0.47

1/6176

8.3

1/9322

0.47

1/6176

四、厚板轉換層設計與施工

（一）厚板轉換層設計

本工程厚板采用中國建筑科學研究院高層建筑技術開發部編制的《轉換厚板及樓板計算程序》—TBPI進行計算分析。該程序以應用廣泛的中厚板理論—Mindlin為依據，應用有限單元法對轉換厚板進行內力分析和計算。程序與TBSA接力運算。

轉換板在游泳池處的板厚lm，其它部位1.9m。兩種板厚交接處加腋處理，以解決由于板剛度突變引起的彎矩突變現象。板配筋率為0.6%（單向上下二層鋼筋的配筋率），于柱上板帶處設置暗梁形成縱橫空間骨架，暗梁箍筋體積配箍率為0.5%，于塔樓剪力墻下設置暗梁，以提高結構的延性。板的抗沖切、剪切強度均滿足現行規范的要求。

（二）轉換層厚板大體積混凝土施工的技術措施

本工程的結構轉換層厚板板厚1.9m，屬大體積混凝土。由于其位置處于地上4層處，轉換層僅自重就達47.SkN/m2，如采用一次性澆筑，模板支撐難度很大;如果采用通天支撐，即從地下室設支撐直至4層底支撐模板，其人力、物力消耗太大，亦不可取。如采用以3層樓板為支撐底板，在其上部支柱以支撐轉換層底部模板，由于轉換層厚板自重很大，加上3層自重和施工荷載（含支撐、模板）等，其3層構件所承受的荷載約為56kN/m2，造成3層樓面構件梁板截面加大，一則造價增加太多，二則由于梁截面過大，影響建筑2層的有效空間高度。

為此，本工程采用分層澆筑法來施工轉換層厚板，即將轉換層厚板的施工分為二層來進行：第1層首先澆筑600mm板，做為第2層1300mm厚板的模板，然后進行第2層施工。這樣既解決了由于厚板轉換層自重及施工荷載過大的模板支撐問題，又不影響建筑使用功能及空間效果。

第1層板的配筋按無梁樓蓋計算，其荷載取轉換層自重加施工活荷載。在第1、2層交界處，板上設豎向插筋，梅花型布置;在第2層施工前需對第1層表面進行處理，處理方法同施工縫做法。

厚板轉換層部分屬大體積混凝土，為防止施工中由于水化熱引起的溫度裂縫及混凝土在凝結過程中產生的干縮裂縫，施工中采取了如下措施：

（1）采用粉煤灰混凝土，利用混凝土60天強度以減少水泥用量，從而降低水化熱;

（2）于混凝土中摻入一定量的膨脹劑，既有利于降低水化熱，又使混凝土成為補償收縮混凝土;

（3）加強混凝土養護及溫度檢測，控制混凝土核心溫度與表面溫度之差小于25℃。

（三）設計體會

（1）關于值的取值。本工程的轉換層板厚為1.9m，加之該層凈高4.55m，其總高度達6.5m。由于轉換層厚板平面外剛度很大，且柱及剪力墻于厚板內有良好的嵌固作用，故的計算高度應小于實際高度6.5m。在計算值時，對于轉換板下層層高的取值為：樓層凈高+板厚之半，即。

對于值公式中A值的計算，由于本工程的框支柱截面的總面積較大，與剪力墻之比為。考慮到框支柱截面較大且與轉換厚板有良好的嵌固，轉換厚板平面外剛度非常之大（厚板最大的撓度僅為6.3mm—1/1486，故在厚板協同下，其結構整體性很好，且塔樓下底盤面積不大，剪力滯后現象應不明顯。

框支柱軸壓比在《高規》中規定，柱截在設有厚板轉換層的高層結構中，其厚板轉換層剛度較大，對于上部結構形成有小位移的固定端，對上部結構的位移起約束作用，且由于厚板轉換層的剛度較大其質量亦很大，于本層處將形成應力集中。故將轉換層以上三層塔樓剪力墻作為加強層考慮。

（3）盡量減少上部結構的剛度。在結構布置滿足規范要求前提下，應采用減少剪力墻、在剪力墻上開洞、減小剪力墻厚度等措施來減少上部剛度，以避免由于轉換層上部剛度過大，使轉換層下部墻柱（除軸壓比控制以外）為協同上部剛度所引起的截面過大。