转换层形式对高层建筑整体结构的影响

　　提要：本文结合实际工程分析了高层建筑中转换层分别采用梁式转换和桁架转换构件在地震作用和风荷载作用下的周期、位移、内力等性能特性，得到了在不同转换形式下结构设计应注意的问题，为工程设计提供参考。
　　关键词：高层建筑，转换层，结构分析
　　
　　1.引言
　　随着城市的发展,对高层建筑要求有多用途,往往底层用作商场、餐馆等，中间层用作写字间，上层用作住宅或者旅馆。这种布局要求在底层布置大空间，顶层布置小空间，这恰恰与结构布置的常规方式相反，为了保证结构构件传力的合理，要在结构体系变换的楼层处设置转换层。
　　常见的转换层结构形式有梁式转换，桁架式转换，空腹桁架式转换，箱形转换，板式转换，转换拱，组合柱等。对于高层建筑尤其是超高层建筑，由于转换层上部楼层较多，荷载较大，近年来转换层常采用钢与混凝土组合构件。本文对一座超高层建筑根据不同的转换形式分析两种转换构件应用在超高层建筑上的优缺点。
　　
　　2. 工程概述
　　
　　某高层建筑地上78层，地下5层。总建筑面积为288000多m2，总高度为330.25m。采用框架核心筒结构。由于建筑布置的需要，上部柱距为5.15m,下部商场需要采用大空间，因此需要在第九层采用抽柱转换以增大柱距。
　　
　　3. 结构反应分析
　　
　　以下分别采用梁式转换和桁架转换两种形式，用ETABS程序对比分析了整体结构的性能指标[1]。
　　方案1.采用梁式转换层
　　建筑下部柱距为10.3m，转换层高4.9m。
　　由于要承托上部近70层楼的荷载，为了避免转换梁尺寸过大，所以采用型钢混凝土梁，按照设计规范[2]，采用程序整体分析的结果，其截面形式如图1所示，尺寸为1200mm×2800mm，混凝土采用C60，型钢为Q345钢板焊接，截面尺寸2300mm×1000mm×50mm×50mm，采用对称布置钢筋，箍筋和腰筋采用构造配筋。
　　方案2.采用桁架转换层
　　转换桁架示意图如图2所示，桁架高为转换层的层高，采用钢管混凝土结构，斜撑构件采用Q345C钢材，选择尺寸为1200mm×900mm×50mm钢管，内添C60混凝土以增加其抗压强度。
　　(1)周期比较
　　该结构的第一振型为Y方向的平动，第二振型为X方向的平动，第三振型为扭转振型。表1列出结构的前三个周期，扭转振型与第一振型的比值在0.34左右，都小于规范[3]所规定的B类建筑的0.85，结构的平面布置比较均匀。周期差别不大，采用梁式转换体系周期比桁架转换的稍长，结构更柔。
　　                             
　　图1转换梁截面示意图           图2转换桁架示意图
　　
　　表1.结构周期(s)

　　(2)不同转换形式对柱剪力的影响
　　转换层设置越高，转换层附近楼层的刚度和剪力分布突变越加剧，这一规律不仅在框支剪力墙结构中存在，在筒体结构中同样存在。抗震设计中一般限制转换层的高度，7度抗震设计时转换层设置位置不超过5层[4]，该结构的转换层位于第九层，所以剪力分布突变程度比较严重。
　　由于该结构Y方向的高宽比较大，因此Y方向的地震作用和风荷载对建筑影响较大。本文输入的单向地震作用是Y方向的地震作用。分析结果显示，结构15层以上不同转换形式对结构受力影响不大，因此这里只列出15层以下的剪力。选择了一条有代表性的轴线上在单向地震和双向地震作用下柱剪力分布，可以发现转换层附近剪力明显增大，转换层附近的剪力是其他楼层的近7倍，并且梁式转换的柱剪力增大幅度大于桁架转换的柱剪力，最大增幅可达90%以上。两种转换形式的剪力突变的范围不同，桁架转换柱剪力突变发生在第8、9、10层，即转换层及其相邻层，而梁式转换剪力突变发生在第9、10层。
　　结构内力的分析表明，梁式转换层中托梁上的框支柱端弯距很大。这是因为托梁的截面很大，托梁的线刚度比框支柱大得多，托梁对其柱端的约束很强。在水平力作用下，上部结构变形时会在框支柱与托梁交接处产生很大的柱端弯距，再加上水平剪力作用，该处是结构的薄弱部位，设计时应该引起注意。
　　(3)不同转换形式的等效层刚度分布
　　可以发现转换层附近刚度变化较大，且转换层的刚度大于其下部楼层的刚度，与整个结构刚度变化情况不一致，而且由于结构X方向强于Y方向，X方向转换层附近刚度变化较Y方向明显。结构刚度只是在转换层附近有较大的差别，在其他楼层差别不是很大。桁架转换由于斜撑的存在，刚度变化要比梁式转换的更明显。其中桁架转换中转换层下层与转换层刚度比为71%，这些导致转换层附近楼层地震作用下，楼层地震剪力突变，桁架转换层的地震剪力比其上一层增加了26%，梁式转换层的地震力比其上一层增加了39%。转换层的层高为4.9米，其下一层层高为3.9米，这样增大转换层的层高能减少刚度竖向分布的变化。由于转换层下部8层为整个建筑的裙房，建筑平面面积增加，使得整个转换层受力比较复杂。
　　(4)不同转换形式对位移和层间相对位移的影响
　　在Y向风荷载作用下梁式转换结构顶层位移比桁架转换多近50mm，对于层间相对位移来说，在转换层的位置上层间相对位移有比其他加强层更很明显的变化，梁式转换对层间相对位移控制不如桁架转换的好，Y向风荷载作用下，梁式转换的最大层间相对位移比桁架转换大7.6%，为1/483，超过规程的1/500[3]，如果要在在设计中采用，仅仅靠转换层的设计是达不到规范要求的，要采取更多的措施控制水平位移。
　　4.结论
　　
　　（1） 转换层的形式对结构的总体刚度影响不是很大。
　　（2） 转换层的设置使其附近楼层的刚度和剪力有较大的突变，由于桁架转换中斜撑的存在，转换层本身的刚度有较大的突变。而梁式转换的柱端最大剪力出现在转换层的上一层。
　　（3） 结构的顶层位移和层间相对位移受转换形式的一定影响，梁式转换层对结构位移控制效果不如桁架转换层的明显。
　　综上所述，超高层建筑中的转换层是结构中的重要的构件，设计时要综合考虑结构周期，相邻层构件刚度、内力分布，转换层本身的剪力和弯距分布以及施工难易等方面。采用桁架转换可以比梁式转换减少局部质量集中，利于构件内力的平稳过渡。这两种转换形式对整体的影响不是很大，但是转换层附近构件差别较大。
　　参考文献
　　1. 《ETABS中文版使用指南》[M]，北京：中国建筑工业出版社，2004。
　　2. 《高层民用钢结构设计规程》中国建筑工业出版社，1998年。
　　3. 《高层建筑混凝土结构技术规程》中国建筑工业出版社，2002。
　　4. 耿娜娜，徐培福。带转换层筒体结构的刚度和剪力分布突变。建筑科学2002，18（3）