高層建筑型鋼混凝土轉換結構的設計

郭勇勇（廣東省建筑設計研究院，廣東　廣州　510010）

?

高層建筑型鋼混凝土轉換結構的設計

郭勇勇（廣東省建筑設計研究院，廣東廣州510010）

高層建筑轉換層是一種基于主體框架以轉換層上下結構的剛度突變形式，豎向結構構件呈非連續狀態，受力極為復雜，在承受強烈地震作用情況下，轉換層會承載較大的內力荷載并產生塑性變形現象，由此引起結構尺寸變大，嚴重制約建筑物發揮使用功能。因此，筆者將在本文中以滿足建筑結構抗震和基本使用需求的前提條件下，闡述高層建筑型鋼混凝土轉換結構的設計，保證建筑結構抗震指標和優化轉換構件的外觀尺寸。

高層建筑；型鋼混凝土；轉換層；結構設計

一般地沿街高層建筑，底部基層主要作為商業用房，受限于高層剪力墻結構會嚴重制約商用功能，因而通過設置結構轉換層，可減少普通剪力墻結構的部分弊端。而型鋼混凝土轉換結構的應用，又可優化結構轉換層的外觀尺寸。型鋼混凝土轉換結構設計須達到高層建筑結構的基本受力要求，還需達到建筑結構設計的其他相關規定。設計計算高層建筑整體結構，轉換結構側向的剛度要求符合既定規范，且須保證建筑結構在收到強烈地震作用下的位移與扭轉情況效果良好，內部構造布置合理。除此以外，仍需進一步強化高層建筑轉換結構的分析與計算，并做好相應的型鋼混凝土節點處理工作。以下，即以某工程實例設計說明。

1　高層建筑轉換結構闡述

同個高層建筑物，順著建筑高度方向其不同層的使用功能可能有所不同，比如底層商用層往往需要較大的使用空間，墻體少且柱體半徑大；中層辦公層需要中等大小的使用空間，可于柱網內設計部分墻體；上層生活層，則布置較多墻體和小徑柱網。從結構設計層面講，底部商用層多采用框架結構、中部辦公層采用框剪結構和底部生活層采用剪力墻結構。因此，為滿足同一高層建筑物內三種不同結構型式的設計，須于兩種不同結構體系之間布置水平轉換結構，也就是本文所講的型鋼混凝土轉換結構設計。通常，高層建筑物的底部樓層于豎直方向的結構體系從型式上看與上部樓層的結構型式差異較大，須在二者之間設計結構轉換層。

1.1轉換結構的分類

（1）上下結構類型的轉換。剪力墻與框剪結構內，底部樓層為使用空間較大的商用層或其他公共空間，可將剪力墻結構利用轉換結構使之轉換為框架結構，從而保證底部樓層內的使用空間變大，此種應用下部框架結構來承載上部剪力墻結構的型式稱之為框支剪力墻。

（2）上下結構的軸線轉換和柱網轉換。筒中筒結構內，外框筒設計為密柱深梁，導致建筑物沒有較大的出入口。針對此種情況，可以通過外框筒的周邊柱線來設計轉換結構，從而擴大下部層柱網的布置間距，構成大徑柱網即可滿足基本的出入口需求，然而其上下結構類型并未出現變化。

（3）上下結構類型與柱網均轉換。框支剪力墻結構內，上部樓層通常為生活層，多采用平面組合軸線剪力墻結構，下部樓層則多為商用層，可設計大空間軸線布置框架結構。該體系不但在上下結構的類型方面有所不同，且上下的軸線和柱網也發生了變化，利用結構轉換層可良好傳遞荷載。

1.2轉換結構的型式

基于轉換結構的基本定義，高層建筑上部樓層與基礎工程也可實現轉換，鋼筋混凝土梁式、筏型基礎、帶形基礎等形式均可在建筑主體結構上完成轉換。梁式轉換擁有傳力簡單和受力明確的特點，通常被應用在底部空間較大的剪力墻結構內，目前應用較為常見。轉換梁構件自縱向或橫向平行方向合理設計，如縱橫兩向均需轉換，即可選用雙向梁的設計方案。當出現上下結構柱網與軸線錯開較多的情況，無法通過梁構件來承載，即可將其設計為厚板構件，從而構成板式轉換結構。板式轉換結構的下部樓層的柱網布置較為靈活，且施工便利，但仍然存在自重較大和材料消耗量過大的缺點。梁式轉換結構則于大跨度轉換梁構件中較為適用，但梁式轉換不能適用于大型管道系統，主要原因就在于它不利于建筑空間的最大化利用。因此，我們也可采用桁架轉換的型式來取代梁式轉換，它具有受力好、結構自重輕和可充分利用適用空間等優點，然而施工方面則更為復雜。桁架轉換層通過單向拖梁或雙向拖梁與厚板一并工作，可共同構成大剛度箱型轉換結構，可通過上下層樓板與剪力墻結構共同工作。

2　工程概況

某高層建筑總建筑高度78m，主體長約28m，最大寬度約16m，地下結構為1層，地上結構為25層。地下層作為停車場，層高約為5.6m，地上結構1～3層作為商用層，底部樓層高約4.4m，2～3層高約3.9m。4～4層以上作為生活層，標準層高約3m。本建筑物部分樓層采用框支剪力墻結構，4層設置框支轉換結構。本建筑抗震設計等級為丙類，結構安全設計等級為二級，抗震設防烈度為Ⅶ度，基本的地震加速度為0.15g，地震分組為第一組，阻尼比0.05，場地土質類別為Ⅱ類，地面粗糙度A，五十年一遇風壓約為0.8kN/m2，一百年一遇風壓約為0.88kN/m2。按照《建筑抗震設計規范》和《高層建筑混凝土結構技術規程》的要求，本建筑的框架結構的抗震等級1級，剪力墻結構的抗震等級2級。

3　基礎設計

按照地質勘查報告來看，本項目施工現場地勢較為平順，基礎土方多分布雜填土、粘性土和巖層，由地質特性來劃分土層的基本情況如下：

（1）雜填土：極限摩阻力為35kPa；

（2）素填土：極限摩阻力為28kPa；

（3）粉質粘土：極限摩阻力為85kPa；

（4）殘積砂質粘性土：極限摩阻力為75kPa，極限端阻力6500kPa；

（5）全風化花崗巖：極限摩阻力為95kPa，極限端阻力7500kPa；

（6）砂礫狀強風化花崗巖：極限摩阻力為120kPa，極限端阻力11000kPa；

（7）碎塊狀強風化花崗巖：極限端阻力13000kPa。

按照本項目施工現場地質情況來看，地下基礎采用靜壓預應力高強混凝土管樁形式 （PHC），設計樁長為2030米的PHC500-125-AB型管樁，持力層為全風化花崗巖以下部分，管樁進入持力層不低于2m。經計算與分析，單管樁的承載力特征值約為2300kN，承臺的厚度約為1800mm。我們也可考慮部分的框支柱選用型鋼混凝土結構型式，局部承臺厚度設計3Hs+700mm。

4　轉換結構設計計算與分析

建立科學的PKPM系列軟件SATWE程序的中國研究院的計算和分析，審查和使用PMSAP軟件。根據地震力的計算，X，Y兩個方向，0.95周期折減系數，根據風荷載計算X，Y兩個方向，扭轉耦合和剛性區域，采用剛性樓板假定位移計算分析。傳輸層定義為薄弱層，通過調整系數0.2q剪切層與層架下方。的剛度放大系數為2，1.5邊梁，梁剛度折減系數為0.8，計算了30種模式。內力組合，恒載分項系數1.2，活荷載分項系數1.3系數1.4，地震荷載分項系數1.3，風荷載系數1.4，在最大長度殼單元控制墻元細分。在特定的構件中定義為框架抗震等級。基礎混凝土強度等級為C40四層墻柱上，梁板為C30；47層墻柱混凝土強度等級C35，梁板C25；七層以上的混凝土墻梁柱C30強度等級為C25，建筑板。1～3層為商業用途，因此它需要的是上部剪力墻結構的一部分，用于商業用途的轉換。要求框架柱、框架梁的尺寸不宜過大，而剪力墻結構可以設置沿縱向相對較少，多集中在東部和飛機的西側，與裙房連接山墻由于需求，剪力墻山墻也需要轉換，所以平面剛度相對薄弱。削弱結構的整體剛度。鋼筋混凝土框架柱梁的計算結果框架柱尺寸過大，影響了商用功能，框架梁的高度過高，建筑高度明顯不合理，從而影響到整個商業使用質量。根據SATWE程序序列特異性的試驗結果，在柱箱與箱梁鋼筋混凝土（SRC）。經過重新調整，周期內的值、位移值和基底剪力重比均在規定的范圍內，也滿足框架柱的軸壓比小于0.6，框支梁柱的尺寸明顯優化。框架柱截面尺寸的800×800，框支梁的尺寸700×1200。在SATWE總體分析和規范要求計算是滿意的，和其他采用PMSAP程序分析和回顧，其結果符合要求規范（見表1～2）。

表1　數據模型周期計算結果

表2　剪重比、最大層位移比計算結果

5　框支轉換結構的設計及優化

帶轉換層的高層建筑結構，轉換層結構和層筒壁，主要結構的應力集中，復雜的框架，這個項目除了采用SATWE計算結果框構件設計、墻配筋計算軟件剪切有限元框架（FEQ），以框支層下一層和上三層復核框支層之上的剪力墻、轉換構件，并結合二者的復核結果設計相應構件。同時根據構件的彎矩和剪力的計算結果，根據實際情況，鋼框架梁柱尺寸的鋼翼緣和腹板厚度優化的類型，使用bh400×300×10×20型鋼框架柱箱、中型鋼柱從框架層到基礎框架的支撐鋼梁的h900×300× 10×25。除計算上述結構的調整外，還采取以下措施提高整體變形能力的整體協調能力。使用180mm轉換層樓板厚度，采用雙層雙向配置鋼筋混凝土樓板，控制最小配筋率為0.25%，在轉換層相鄰的每一層都用120mm厚板，板的配筋也采用雙層雙向配筋。在底部的剪力墻，加強區域，根據抗震等級要求加強。

6　結束語

綜上所述，經闡述某高層建筑轉換結構設計的計算與分析過程，筆者了解到高層建筑轉換結構的設計與優化需要滿足多方面的要求，既有外觀造型要求，也有使用性能要求；既有結構體系合理布置的要求，又有滿足結構安全性的要求。在設計計算與分析過程中，我們需要充分考慮必選多個振型，保證其有效質量系數不低于90%，從而確保設計結構的扭轉效應最小。與此同時，不同力學模型的抗震計算往往需要一整體計算控制為前提條件，在整體計算控制的前提下還必須輔以轉換層結構的有限元分析。

［1］傅學怡.實用高層建筑結構設計［M］.中國建筑工業出版社，2010.

［2］佟道林，習朝位，李繼光.帶轉換層雙塔樓連體高層建筑結構模型振動臺試驗研究［J］.高層建筑抗震技術交流會，2014（08）：45～47.

［3］錢稼茹，吳美良，方小丹.帶高位轉換層高層建筑的模型振動臺試驗和結構分析［J］.中國土木工程學會土木工程結構試驗與檢測技術暨結構試驗課教學研討會.2006.

［4］高向宇，周福霖，羅學海.帶有轉換層的大底盤多塔樓結構模型振動臺試驗研究［J］.建筑結構，2011（15）：112～115.

所獲榮譽及獎勵：2015年度第九屆全國優秀建筑結構設計三等獎。

郭勇勇（1985-），男，建筑結構師，本科，主要從事建筑結構設計相關工作。

TU973

A

2095-2066（2016）12-0143-02

2016-4-11