简谈高层建筑结构转换层的设计

钟洁

【摘要】建筑物功能在房屋高度方向发生立体交叉，造成建筑功能与结构的正常布置对空间的要求相反， 需要在结构转换的楼层设置水平转换构件实现结构的抗震性能。本文以某高层框支剪力墙设计工程为例， 对梁式转换结构的设计要点及其采取的处理措施进行了详细研究，以确保建筑结构的整体安全。

【关键词】高层建筑；结构设计；转换层；扭转效应

前言

转换层结构是结构转换的楼层设置的水平转换构件，转换层结构将整体建筑结构分开，实现上下采取不同的结构形式，下部形成较大的空间结构满足商用刚度较小的框架结构；上部结构形式根据住宅或小型公寓、宾馆等使用功能灵活设置。建筑结构中由于转换层的设置造成沿建筑物高度方向刚度的均匀性受到破坏，导致传力路线曲折、应力集中和变形集中，决定转换层结构的重要性，需要应用合理的设计方法和措施保证转换层结构的安全可靠。

1、工程概況

本工程为高层建筑，地上31层，总高93.4 m，其地下1层为车库，层高4.9m；地上1～2层均为商业，层高5m；3层以上均为住宅，层高2.9m。该项目为底商上部住宅，安全等级为二级，属于标准设防，6度设防，地震加速度为0.05g，Ⅳ类场地土，地震分组为一组，粗糙度为C类，基本风压为0.7kN/m2。为满足建筑底部商业功能需求，结构方案选择底部框架，上部剪力墙的结构形式，即框支—剪力墙结构，梁式转换框支—剪力墙结构的设计关键在于底部转换框架的设计及上部剪力墙的合理布置。

2、概念设计与结构布置

本项目属于典型的框支剪力墙梁式转换的结构类型，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》底部加强部位及框支柱抗震等级为二级，非底部加强部位剪力墙抗震等级为三级。转换层结构设计过程中要注意如下两点：

（1）避免剪力墙全抬，确保一定数量的剪力墙起落地，增大底部剪力墙墙体厚度，适度加大框支框架柱的截面，以此在确保上下部刚度一定连续的程度上加大底部框架的刚度；

（2）针对上部剪力墙结构，宜适度增大墙肢间距，缩小剪力墙长度、减少墙体数量等措施，调节转换层上下刚度达到均匀变化，避免抗侧刚度剧变，上部结构通过少量剪力墙与核心筒一起承担水平侧向力。

此外为确保单片剪力墙自身的稳定性，墙体布置时宜结构建筑功能分区，将剪力墙布置为T形、L形、匚形为宜。底部框支框架在布置时也宜结构建筑功能划分，将可以下落的剪力墙落地，在大空间区块布置框支柱作为竖向承载构件。由于框支柱上部支撑转换梁，且梁上荷载较大，框支柱相比于常规框架柱截面较大，为确保框支柱具有足够的延性和变形能力，框支柱在地震作用下不首先出现柱铰的破坏形态，能够有效吸收地震力，因而，框支柱设计时应严格控制其轴压比不大于0.6，适度增加柱子的体积配箍量及配筋率，相对于普通柱前者宜增加0.02，后者不小于1.5%，且框支柱纵筋的连接应全部采用机械连接，全高加密箍筋。

3、结构计算

本项目采用传统的空间有限元软件SATWE进行分析计算。根据项目方案阶段上部剪力墙的布置方案，首先布置框支柱，并根据建筑高度和框支柱柱跨预估转换梁截面，建立整体结构模型经由SATWE整体分析计算，根据规范验算梁端梁截面的抗剪能力（即V≤0.15fcbh/0.85）。通过试算本项目框支框架相关梁跨、梁柱截面为：转换层所在层层高5m，最大梁跨6.5m，基于梁宽大于墙宽、梁高大于1/6梁跨的要求，转换梁截面选择为700mm×1400mm，另根据轴压比0.6的限值，框支柱最大选用截面为950mm×1050mm。在高层建筑结构计算过程中尚需要考虑扭转偶联效应及模拟施工加载，通过对比计算分析可知，施工模拟加载1的配筋相对施工模拟加载3较大，故对于部分不合理配筋处应进行人工校核。此外对于结构层间位移角、位移比、周期比以及底部剪力墙分担地震剪力的大小均可以由SATWE整体分析得出。此外，对于一些结构构件采取以下构造措施：

（1）转换梁及其门窗洞口处的剪力墙在支座处剪力较大，应适当加密箍筋配置，在转换梁端的门窗洞采取加腋和箍筋加密的方式提高抗剪承载力；

（2）框支框架上部剪力墙设置的门窗洞口连梁在设计时应满足“强剪弱弯”，并保证梁内的配筋量，配置交叉斜筋，保证梁内塑性铰的出现。

4、构造措施

设计对于确保整体结构的安全可靠性具有重要作用，采取合理必要的结构构造措施是进行抗震设防的有效途径与方法，因此本工程采用了以下构造措施：

①转换结构在设计过程中，控制刚度突变是结构设计的首要目的。根据规范要求，不同结构类型上下刚度不应大于2，故在结构设计时本项目底部加强部位剪力墙厚度取300mm，3层以上为240mm；混凝土等级C40，3层以上C35～C25。为使建筑刚心与质心接近重合，特在底部南侧增设部分剪力墙，以与刚度较大的北部核心筒相协调，减少整体结构的偏心进而降低结构的扭转效应，增加了底部框支框架的刚度，确保整体结构的刚度比满足限值要求。

②转换层楼板厚度取值200mm，确保楼板的平面内外刚度，加强楼板与转换梁的协同工作能力，使得水平荷载能够有效的传递，此外转换层楼板采用双层双向配筋，控制单一方向配筋率不低于0.25%，增加结构的整体性。

5、钢筋混凝土剪力墙住宅结构设计

墙体布置的基本原则即根据建筑空间功能分割优先确定梁的布置，进而根据梁的支座需求布置剪力墙，即在房屋四角、外侧转角处布置墙体。上部剪力墙结构的抗侧能力与总体墙肢数量即厚度有着本质关系，合理配筋率的长厚墙具有较大的侧向刚度，地震作用下具有良好的稳定性能和较高的承载能力。为确保竖向抗侧力构件的最基本的抗侧刚度，相关规定落地剪力墙承受的倾覆力矩不小于结构底部总地震倾覆力矩的50%，以此限制框支柱所承受的倾覆力矩，确保刚度的基本连续性。

6、计算结果数据分析

本项目为带有转换层的高层单塔结构，整体建模计算时选取30个振型，经过计算x向振型质量参与系数为98.35%，y向有效质量系数为96.34%。该项目在计算参数设置时需要考虑地震作用下的藕连效应，鉴于建筑形体属于不规则，故计算分析时考虑15°斜向地震作用。经过计算分析可知，主体结构剪重比为0.02～0.03，周期比为0.81，由此可知地震作用计算满足规范要求，建筑刚度与建筑质量偏心较小，结构不存在扭转不规则，表明建筑结构剪力墙及框支框架布置合理。本工程经计算表明转换层上下刚度比在 1.1 左右，刚度平稳均匀过渡，剪力墙体系与框架体系刚度突变不甚明显，上部结构物薄弱层，结构刚度的均匀变化说明竖向构件布置合理。结构计算所得最大层间位移2.16mm，层间位移比为1/1391，小于规范规定的限值。在框支框架柱的延性方面，轴压比也均控制在0.6以下，转换梁的减压比在0.17以下，使得框支框架在地震荷载作用下具有良好的延性。

7、结语

根据该框支剪力墙项目的结构方案布置及其结构计算分析结果可知：a.梁式转换结构设计时应在概念设计层面优先把握结构体系的选择及其结构方案的布置，对于高层建筑的扭转、刚度及其局部墙体稳定性应在概念层面解决，优化结构平面布置，以缩小结构计算过程中模型调整周期；b.合理布置梁式转换结构上部剪力墙，避免短肢墙体出现，增加底部落地剪力墙墙体厚度，确保一定数量剪力墙落地以保证竖向刚度的连续；c.框支框架与上部剪力墙交接的转换层宜增加楼板厚度， 适当增加底部框架柱的截面尺寸，延缓转换层处刚度的突变，使得建筑抗侧刚度随着层高渐变。