结构设计中高位转换层的受力及抗震分析

　　摘要：高层建筑功能和形式日益多样化，当多功能综合大楼要求一栋建筑物的上部(中部)和下部使用功能不同时，结构布置也要相应改变，要设置转换构件衔接上下结构，传递内力，设置转换构件的楼层称为转换层。文章就高位转换结构的受力特点和抗震性能作以分析。
　　关键词：结构设计，高位转换层，受力，抗震
　　
　　前言
　　20世纪80年代以来，高层建筑发展迅速。建筑向体型复杂、功能多样的综合性方向发展。由于建筑功能的需要，框支剪力墙结构在高层建筑中大量应用，下部布置刚度小的框架柱以获得大空间作为商场、餐馆、文化娱乐场所；上部布置刚度大的剪力墙形成小空间作为住宅、旅馆或办公用房。有的转换层位置较高，一般在3～6层，有的位于7～10层，甚至更高。在现代高层建筑中，转换层的应用愈来愈多，与加强层一样，它增加了结构的复杂程度。
　　1转换层类型
　　高层建筑的转换结构一般可分为四种基本结构形式即：梁式、桁架式(含桁架、空腹桁架)、箱形、厚板式，如图1所示，此外还有连续拱、过渡层、合并柱转换等。
　　                  
　　图1（转换结构的几种基本形式）
　　1.1梁式转换
　　底层柱距扩大后，采用转换梁来承托上部密排柱传来的竖向荷载。转换梁的截面尺寸根据上下柱距和荷载大小而定，有时截面高度可达一层楼高。有时也采用预应力大梁。应用于框支剪力墙结构上的梁式转换层最早，对其展开的研究也较多，理论相对成熟。通过比较多的工程研究，人们一致认为梁式转换层这种结构形式受力明确，设计和施工相对简单，同时在转换梁受力较小部位可以开设合适的洞口，容易满足建筑功能和设备管道线布置的要求，因此，在近些年的转换层结构设计中应用最为广泛。
　　1.2桁架式转换(含桁架、空腹桁架)
　　桁架具有刚度大、自重轻、并能跨越较大跨度的特点。在底层出入口处，利用转换桁架来代换实腹的转换梁，可以取得较好的经济效果，管道穿行较为方便而且还可以采光。
　　1.3箱形转换
　　箱形转换是通过一整层来达到具有较大刚度和承载力的一种转换结构，实际上也是由梁式结构转换层变化而来。在这一转换层中，楼层上下面的同一轴线上均设一道大梁，梁间是钢筋混凝土墙，构成类似于桁架的大型组合梁结构。纵横两向的组合梁交叉成梁格，大部分交叉处有底层通上来的柱子，底板和顶板都是钢筋混凝土厚板，这样便形成一个箱形刚性层。在该层的腹板中可以选择适当位置开设管道和人通行孔洞。由于箱形转换层结构完整并且具有较大刚度，上层的剪力墙与箱形转换层相当于一个结构中的两个构件彼此之间受力关系清楚，从某种程度上讲，上部剪力墙结构的受力状况与坐落在箱形基础上的纯剪力墙结构相似。因此，过渡层上的剪力墙不像框支剪力墙结构那样应力复杂，这就在一定程度上解决了框支剪力墙结构中剪力墙开洞要求与洞口限制之间的矛盾。但箱形转换层自身刚度较大，大空间的底层或下部几层的结构平面需进行合理布置，保持一定的刚度，避免在抵抗水平力时因底层刚度削弱产生较大相对位移而造成破坏。
　　1.4厚板转换
　　厚板结构的转换层通常用于上下层既有结构类型的改变又有柱网、轴线变化的情况。对于体型复杂的商住楼，特别是多塔楼体系，上部住宅单元剪力墙布置很不规则，而下部商场要求规则大柱网，难以布置转换梁和桁架，采用厚板转换层成为一种较好选择。整个转换层是一块厚达2.0～3.0m的实心钢筋混凝土承重板。有的厚板转换层在一定部位也设有暗梁，以满足上部结构的变化要求。作为一种新型的转换层，厚板结构转换层可以使建筑物上下部的墙、柱轴线不受任何限制，从而更好地实现对高层建筑多功能的要求，但从结构上讲，这是一种对抗震极为不利的复杂结构体系。厚板的重量达数千吨以至上万吨，它相当于上部结构的“基础”，但“基础”又支撑在有侧移的“软弱底层”上，这样大的质量集中在建筑物的中部，振动性能极为复杂，加之该层刚度非常大，下层刚度又很小，容易产生底部变形集中和震害。
　　1.5连续拱
　　钢筋混凝土具有承载力大和跨度大的特点，如果能与建筑立面处理相协调，底层也可采用连续拱来扩大净空。不过，在结构上必须处理好边跨拱的巨大推力。
　　1.6过渡层
　　前面几种处理方案都使框筒的楼层抗推刚度在底层发生突变，应用于地震区的高楼结构时，会引起变性集中等不利影响。如果采用调整柱的截面和高度，使框筒的楼层抗推刚度逐步变化，将会在地震反应上取得较好的效果。
　　2转换层力学特性及其影响因素分析
　　近年来，由于建筑功能多样化的要求，不仅在底层和少数层布置大空间，还要求设计多层大空间(大于3层)，也就是所谓的“高位转换”，在底部多层大空间结构中要求全部落地剪力墙在转换层以下都不屈服是不经济的，也是不恰当的。因此，对于底部大空间结构的“底位”和“高位”转换，就应当采取不同的设计措施。
　　2.1转换层设置高度的影响
　　采用弹性时程分析方法，其他条件不变，转换层设在结构的3、5、7、9、11、13层时(刚度比=1．56)，结构周期的变化如图2(a)所示，结构的总体__结构沿层间侧移包线、竖向各层侧移包线、层间侧移角包线比较如图2(b)、图2(c)、图2(d)所示。可以看出：
　　
　　a～结构周期的变化；b一层间侧移的比较；
　　c一各层侧移比较；d一层间侧移角的比较
　　1一转换层在3层；2～转换层在5层；3一转换层在7层；
　　4一转换层在9层；5一转换层在i1层；6一转换层在13层
　　(1)随着转换层位置的提高，结构周期变长。
　　结构自振周期变化的原因有二，第一，转换层设置位置增高由于下部大空间的要求，下部几层层高比较大，结构的总高度变大，使结构的柔度增大，从而使结构的自振周期变大；第二，框支剪力墙结构在转换层以下由于剪力墙数量减少，使结构的刚度减小，从而使整个结构变柔，导致结构周期变长。
　　(2)结构的层侧移、层间侧移、层间侧移角在转换层的位置均有突变。
　　(3)当结构转换层设置位置较低时，结构的最大层间侧移并不在转换层位置，而当转换层设置位置较高时，转换层的层间侧移即为结构的最大层间侧移。
　　(4)转换层设在结构的3、5、7、9、11、13层时，结构的最大层间侧移角分别为1/1227，1/1149，1/1116，1/1421，1/1606，1/2015，均在规范规定的范围内，且最大层间侧移角均不在转换层，虽然最大层间侧移有的在转换层，但由于转换层层高比上部住宅层高大，其层间侧移角并不是最大。
　　(5)比较转换层设在结构的3、5、7、9、11、13层时最大侧移、最大层间侧移、最大层间侧移角可知，当转换层设在7层时，其值都比设在其他层要大，转换层设置位置由7层往上或往下，其值都逐渐减小，这说明转换层设置在结构的中间位置较为不利。
　　2.2转换层减震措施
　　在实际工程中，高位转换短肢剪力墙结构抗震设计除遵循一般原则外，还应重视概念设计和构造措施，必要时可考虑采用安装消能减震(阻尼器)装置，当转换层下一层为架空时更有利于采用。转换结构宜采用梁式，以直接承托上部短肢剪力墙结构为佳，避免或慎用二级转换；上部短肢剪力墙尽可能布置于转换梁支座处，不使转换梁跨中承受大的集中荷载；转换层的刚度通常很大，自重亦大，地震反应大，除强度设计外，应重视其延性设计；试验研究表明，受转换层影响，转换层以上1—2层较转换层以下的各层的震害严重，是抗震设计的重点部位，这些部位的主要抗侧力构件宜适当增大截面尺寸和提高配筋指标。
　　3结束语
　　目前文献资料的一些研究都是针对一些具体结构进行的，虽然每个结构都具有一定的代表性，也得到一些共性，可提供一些设计概念，说明高位转换是可行的，但是由于结构布置不同，有些结果还是有差别，特别是由于刚度，质量沿高度分布不均匀的程度，构件加强措施是否得当，均会引起变形，内力分配以及弹塑性地震反应的变化；类似结构的试验研究也还不多，因此，对于高位转换的底部大空间剪力墙结构这样的复杂结构，可以做，但应当慎重设计。
　　参考文献
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　　[3]谷萱．对高位转换结构设计的探讨[J]．广西城镇建设，2O04(10)：23—26．