以工程实例分析某大厦带局部转换层的结构设计

　　摘要：本文以实际工程为例，分析了带局部转换层的高层建筑结构设计方法及局部构件设计、整体结构设计。为同行建筑结构设计者提供参考、借鉴。
　　关键词：高层建筑；带局部转换层；结构设计
　　1引言
　　随着高层建筑在工程实践中的广泛应用，建筑物的功能愈来愈复杂，同时由于建筑场地本身形状的制约和建筑的要求，在工程中为了满足建筑艺术造型及其不同使用功能的需求，现代多功能高层建筑常常设置转换层，沿竖向划分为不同区段，例如底部墙少柱多，用于商业、大空间厅堂、交通通道；上部墙多柱少，用于酒店客房、住宅等。现在转换层的位置也在逐步提高，但规范规定框支剪力墙高层建筑转换层在地面以上层数:8度时不宜超过3层,7度时不宜超过5层,6度时其层数可适当增加；底部带转换层的框架-核心筒结构可适当增加。带转换层结构特点是竖向构件不连续，通过转换构件实现上下构件的过度，竖向刚度、内力在转换处突变，并易形成薄弱层，转换层位置较高时，转换层下部落地剪力墙及框支结构易开裂和屈服，转换层上部几层墙体易于破坏，从而不利于抗震。《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）（以下简称《高规》）对此类结构设计作了专门规定。
　　2工程实例
　　市某大厦体系类型采用部份框支剪力墙结构，建筑面积21519.87m2，总建筑层数30层，标准层层高2.95m,转换层层高5.2m。裙房4层，地下2层，地上28层。由于建筑造型和功能上的要求，建筑1至4层的一端设置大厅，需在第4层顶面位置设置局部转换构件（标准层平面布置图见图1），转换层以上为剪力墙结构，以下为框架－剪力墙结构，转换形式选为梁式。
　　             
　　                                                    图1标准层平面布置图
　　本工程属丙类建筑，设计基准期50年，地震设防烈度6度，地震分组为第Ⅰ组，地震加速度0.05g，场地类型II类，结构重要性系数1.0，特征周期0.35S，基本风压值取100年重现期的风压值采用,取0.35kN/m2，地面粗糙度类别为B类，建筑高度级别A级。
　　3局部构件设计
　　3.1框支柱
　　为贯彻强柱弱梁的原则，必须保证框支柱具有足够的安全度和延性，本工程框支柱设计除按照规范要求设计外，还采取了以下措施：
　　1）轴压比控制在0.65以内；
　　2）兼作剪力墙端柱的框支柱，保证其满足规范关于约束边缘构件的设计要求；
　　3）计算程序考虑转换层楼板平面内刚度；
　　4）与建筑专业及业主协商，边缘框支柱在转换层处向上延伸一层。该措施显著减小了边缘框支柱在转换大梁处的弯矩和剪力，其原因见图2，原本由转换梁下单根边缘框支柱分配内力（MB=MC），柱向上延伸一层后，改变为由上下两根边缘框支柱共同分配，上面框支柱为暗柱（MB=MC1+MC2），由此MC1<MC，从而使边缘框支柱顶端截面内力显著减小。
　　     
　                        　图2框支柱向上延伸一层后内力分配变化图
　　3.2框支梁
　　该工程中，根据建筑设计要求确定上部剪力墙的布置，对转换梁的构件尺寸进行试算调整，框支梁断面按构造要求可确定为梁宽不小于2倍的上部墙厚和400mm，梁高为1/6倍的框支梁跨度，V≤1/0.85(0.15
　　βCｆCｂh0，最终框支梁截面尺寸最大为950mm×2000mm。由于框支梁截面尺寸大，其内力传递和分布也非常复杂,本工程对框支梁利用ANSYS软件进行有限元二次分析，研究其内力分布状态。模型包括转换梁以上三层墙体。荷载由整体计算结果查得，竖向荷载作用下其内力传递情况如图所示
　　         
　　                     图3框支梁上竖载传递
　　分析结果表明，转换梁顶端沿跨长压应力分布极不均匀，其梁端应力水平远远大于跨中，转换梁顶端应力集中现象十分严峻。梁内应力传递形成“斜压拱”，且跨中截面梁底拉应力较大，顶端虽受压，但数值很小，约为低端拉应力水平的1/20，属于典型的大偏心受拉构件，横断面剪应力水平也相当大。本工程利用ANSYS程序分析了竖向荷载作用下转换梁的受力状态，考虑到竖横向荷载共同作用，其配筋仍采用SATWE和PMSAP的整体计算结果，并且配筋除满足计算结果外还严格满足高规第十章框支梁的配筋要求。在施工图中作特别说明，纵向主筋上下配足，腰筋在梁底部布置多一些，使转换梁形成“拉杆拱”式受力机制。同时注意强剪弱弯的原则，箍筋配置充足，全长加密，以防止剪切破坏。
　　4整体结构设计
　　4.1抗震等级确定
　　本工程转换层以上为剪力墙结构，以下为框架－剪力墙结构，是多种结构形式并存的复杂高层建筑，不能像单纯的框架结构、剪力墙结构或框架－剪力墙结构那样统一确定抗震等级，而应根据现行规范不同章节的规定，并考虑该工程自身的特点，有针对性地分别确定不同部位不同构件的抗震等级。建筑高度97.35m，6度设防，根据《高规》框支框架抗震等级应为二级，剪力墙底部加强部位为二级。由于转换层位于第四层,属高位转换，据《高规》10.2.5条转换层及以下层的框架梁抗震等级确定为二级，剪力墙及框支柱抗震等级为一级，转换层以上加强部位剪力墙为一级，非加强部位剪力墙为三级。
　　4.2竖向结构设计
　　为保证转换层上下主体结构侧向刚度尽量接近、平滑过渡，须把握强化下部、弱化上部的原则。本工程采取的主要措施有：
　　1）转换层楼板加厚至180mm，转换层上下层各加厚至150mm,以增强楼板刚度；
　　2）使尽可能多的上部剪力墙尤其是边缘剪力墙落地；
　　3）底部剪力墙增大厚度取为400mm（上部墙体厚度为200mm），并尽量减少开洞；
　　4）底部剪力墙、柱的混凝土强度等级提高为C60（上部混凝土强度等级分段为C50到C30）；
　　5）由于局部转换部位靠近该建筑一端，将该端设置为筒体予以加强。采用上述几种方法，利用SATWE和PMSAP计算程序分别进行整体结构分析后，程序均未发现薄弱层，且转换层上部与下部结构的等效刚度比的SATWE计算结果为：X方向为0.8960，Y方向为0.7621。满足《高规》附录E的要求，说明结构竖向刚度过渡平稳，竖向结构设计合理。
　　4.3平面结构设计
　　该工程总体平面体型简单，基本规则、对称，长宽比接近2.0。为了增强结构抗扭性能，除核心筒体外，剪力墙在平面内分散、对称且尽量沿周边布置。整体计算后，各层最大水平位移与层间位移比值均小于1.4，以扭转为主的第一自震周期与平动为主的第一自震周期之比为：1.8643/2.7353=0.682（SATWE），1.6695/2.4665=0.677(PMSAP)，满足《高规》4.3.5的要求。
　　5结论
　　1）带局部转换层的高层建筑结构设计，必须首先从整体上做好概念设计。根据结构具体情况，不同部位的不同构件应按照规范不同章节确定其抗震等级。整体设计阶段最好选用两个结构计算软件进行比较分析，建立可靠的计算模型，分析、评判结构总体受力特点，修改、优化整体结构布置。
　　2）转换部位不仅包括竖向荷载转换和水平荷载转换，二者又分别包括荷载的平面内转换和X、Y方向的多维转换。该部位构件与其他常规构件相比，尺寸庞大，应力集中且分布复杂，在整体计算控制的前提下应进行必要的局部应力分析。
　　3）框支柱顶端内力一般较大，有时难以满足规范设计要求，此时可以采取加掖或向上延伸一层的方案处理。若建筑限制，则可采取：能伸到上部墙体的柱内钢筋，在柱顶不予截断，尽量向上伸到墙内1～2层，以形成暗柱，缓解框支柱顶弯矩和剪力。亦可采取芯柱或劲性骨架柱。
　　4）框支梁是上下层荷载传递枢纽，设计中应严格满足规范的相关规定。弹性有限元分析后发现，其受力类似深梁，内部传力机制接近斜压拱，梁端顶部局部应力集中现象严重。钢筋布置应尽量使腰筋在下部多些。箍筋起吊杆作用，应全长加密。同时由于转换层钢筋用量较大且密,应尽量选取大直径钢筋，并保证钢筋间净距满足规范要求，以便保证混凝土浇筑质量。
　　5）转换层结构属竖向刚度不规则结构，不仅是竖向刚度易在转换层附近发生突变，还应关注的是竖向抗侧力构件不连续，使结构的传力（包括竖向及水平力）途径在转换层及其附近发生突变，在强震作用下，易产生薄弱部位。在抗震设计中，除了控制转换层上下刚度比外，还应采取措施，加强转换层及附近层结构构件包括框支柱、落地墙、转换构件、转换层上下层楼板以及底部加强部位以及上一层结构，以保证水平力的有效传递和结构在地震作用下有足够的延性。
　　参考文献:
　　[1]JGJ3-2002.高层建筑混凝土结构技术规程
　　[2]李国胜.多高层钢筋混凝土结构设计优化与合理构造.中国建筑工业出版社,2008年12月第二版
　　[3]GB50011-2001.建筑抗震设计规范
　　[4]李国胜.多高层钢筋混凝土结构设计中疑难问题的处理及算例.中国建筑工业出版社,2004年4月第二版