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摘要:近年来，国内外高层建筑发展迅速，现代高层建筑向着体型复杂、功能多样的综合性发展。这一方面为人们提供了良好的生活环境和工作条件，体现了建筑设计的人性化理念；另一方面也使建筑 结构受力复杂、抗震性能变差、结构分析和设计方法复杂化。本文以一栋带转换层的高层建筑的结构设计为例,重点探讨了高层建筑中梁式转换层结构的设计要点。
关键词：高层建筑；换层；结构设计
Abstract: In recent years, the rapid development of high-rise buildings at home and abroad, the modern high-rise building toward the comprehensive development of complex, diverse functions. On the one hand, to provide a good living environment and working conditions for the people, embodies the concept of human nature design; on the other hand, the building structure in complex stress, seismic performance variation, structural analysis and design method of complex. Structure design based on a high-rise building with transfer story as an example, discussed the key points in the design of high-rise building with girder transfer floor structure.
Key words: high-rise building; structure design for layer;
中图分类号：TU3文献标识码：A文章编号：
关键词: 梁式转换层设计要点设计要求
1.工程概况
该工程地下二层,地上裙房三层,总层数三十一层。一层.二层高为4.5米,三层层高均为5.5米,四层至三十一层层高均为3.0米,建筑物总高98.95m。该工程地下二层为车库及平战结合的六级民防地下室,地下一层为大卖场及车库,一～三层为商场,四～三十一层为高级公寓。建筑抗震设防类别:为丙类;抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度0.05g;设计地震分组为第一组;场地类别为Ⅱ类。转换层设在第三层楼面。转换层结构平面简图见图1。采用中国建筑科院编制的2010版PKPM - SATWE程序进行计算。
图1转换层结构平面简图
2.转换层型式的选择
各种形式转换层的优缺点详见表2.1:
转换层 优点 缺点
梁式转换层 设计和施工均较为简单。传力直接、明确、受力性能好、构造简单和施工方便 当上下轴线错位布置时，需增设较多的转换次梁，空间受力较为复杂
箱式转换层 转换梁的约束强，刚度大整体工作效果好，上下部传力较为均匀，并且建筑功能上还可将其作为“设备层” 转换梁梁中开设备洞较多，施工复杂。且造价较高
厚板式转换层 下部柱网受上部结构布局影响较小，可灵活布置。厚板刚度很大，形成性较好，而且施工也较为偏介 厚板自重很大，地震作用也大，容易产生震害。并且材料耗用多，经济性也较差
桁架式转换层 框框支柱柱顶弯矩和剪力比其他几种转换形式相对较小 施工复杂程度较高，且对于轴线错位布置时难度较大
表2.1各形式转换层优缺点对比
3.梁式转换层的结构设计要点
3.1抗震等级的确定
本工程转换层以下为框架- 剪力墙结构,转换层以上为纯剪力墙结构,是多种结构形式共存的复杂高层建筑,因而不能象单纯的框架结构或剪力墙结构那样笼统地确定抗震等级,而应该严格按照现行规范的不同章节,有针对性地分别确定结构体系各部位不同结构构件的抗震等级,这是设计的关键点。
楼层最小地震剪力控制（抗震规范 5.2.5，高规 4.3.12）
抗震验算时，结构任一楼层的水平地震剪力应符合下式要求∶
VEKi>λ(Gi+ Gi+1 +….+Gn)
式中VEki—第i层对应于水平地震作用标准值的楼层剪力；
λ---剪力系数，不应小于下表规定的楼层最小地震剪力系数值，对于竖向不规则结构的薄弱层，尚应乘以1.15的增大系数；
Gi---地震时结构第i层的重力荷载代表值。
（结构自重标准值加可变荷载组合值）
楼层最小地震剪力系数值：
类别 7度 8度9度
扭转效应明显或
基本周期小于3.5s 0.016(0.024) 0.032(0.048)0.064
基本周期大于5.0s 0.012(0.018) 0.024(0.032)0.040
注∶1、基本周期介于3.5s和5s之间的结构，可插入取值；2、括号内数值分别用于设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区。
水平地震影响系数最大值αmax ∶
0.08（ 0.12 ） 0.16（ 0.24） 0.32
综上所述,本工程各部位的抗震等級确定详见表3.1.1:
表3.1.1 各部位抗震等级表
3.2结构竖向布置
高层建筑的侧向刚度宜下大上小,且应避免刚度突变而带转换层的高层建筑结构显然有悖于此。转换层上下等效侧向刚度比宜接近于1,不应大于1.3。在设计过程中,应把握的原则归纳起来,就是要强化下部,弱化上部。可以采用的方法有以下几种:
(1)与建筑专业协商,使尽可能多的剪力墙落地,必要时甚至可在底部增设部分剪力墙(不伸上去) 。除核心筒部分剪力墙在底部必须设置外,还与建筑专业协商后,让两侧各有一片剪力墙落地1这些无疑都大大增强了底部刚度。
(2)加大底部剪力墙厚度。转换层以下剪力墙中,核心筒部分的厚度取为600mm,其余部分的厚度取为400mm。
(3)底部剪力墙尽量不开洞或开小洞,以免刚度削弱太大。
(4)提高底部柱、墙混凝土强度等级,采用C50 混凝土(框支柱采用C50混凝土) 。
(5)适当减少转换层上部剪力墙数目,控制剪力墙厚度,并可在某些较长剪力墙中部开结构洞,以弱化上部刚度。弱化上部刚度不仅对控制刚度比有利,还可减轻建筑物重量,减小框支梁承受的荷载;增大结构自振周期,减小地震作用力。
工程综合采用上述几种方法后,转换层上下刚度比在X方向为0.725,在Y方向为0.813,满足规范要求,效果良好。虽然上下部刚度比满足要求,但毕竟工程仍属于竖向不规则结构,转换层及其下各层为结构薄弱层,因而应将该两层的地震剪力乘以1.15的增大系数。
3转换构件设计要求
3.1框支柱
工程框支柱抗震等级为特一级,轴压比不得大于0.6 ,对部分因截面尺寸较大而形成的“短柱”,不得大于0.55。柱截面延性还与配箍率有密切关系,因而框支柱的配箍率也比一般框架柱的大得多。箍筋不得小于Ф10@100,全长加密,且配箍率不得小于1.5%。在工程中,个别框支柱还兼做剪力墙端柱,所以还应满足约束边缘构件配箍特征值不小于0.2的要求,折算成配箍率(C50混凝土)即为2.64%。框支柱为非常重要的构件,为增大安全性,对柱端剪力及柱端弯矩均要乘以相应的增大系数,每层框支柱承受剪力之和应取基底剪力的30%。
3.2框支梁
框支梁截面尺寸一般由剪压比控制,宽度不小于其上墙厚的2倍,且不小于400mm;高度不小于计算跨度的1 /6。工程框支梁梁宽统一定为800mm。框支梁受力巨大且受力情况复杂,它不但是上下层荷载的传输枢纽,也是保证框支剪力墙抗震性能的关键部位,是一个复杂而重要的受力构件,因而在设计时应留有较多的安全储备,特一级抗震等级的框支梁纵筋配筋率不得小于0.6%。框支梁在满足计算要求下,配筋率不小于0.8%。框支梁一般为偏心受拉构件,梁中有轴力存在,因而应配置足够数量的腰筋。腰筋采用Ф16,沿梁高间距不大于200mm,并且应可靠锚入支座内。
3.3转换层楼板
框支剪力墙结构以转换层为分界,上下两部分的内力分布规律是不同的。在上部楼层,外荷载产生的水平力大体上按各片剪力墙的等效刚度比例分配;而在下部楼层,由于框支柱与落地剪力墙间的刚度差异,水平剪力主要集中在落地剪力墙上,即在转换层处荷载分配产生突变。转换层楼板承担着完成上下部分剪力重分配的任务;并且由于转换层楼板自身平面內受力很大,而变形也很大,所以转换层楼板必须有足够的刚度作保证。转换层楼板采用C50混凝土,厚度180mm。Ф14 @150 钢筋双层双向整板拉通, 配筋率达到0.28%。另外,为了协助转换层楼板完成剪力重分配,将该层以上两层及以下各层楼板也适当加强,均取厚度150mm。
4结语
通过高层建筑转换层结构设计的工程实践,体会如下:根据建筑平面及功能要求合理选择转换层形式,正确选择建筑抗震类别是转换层设计的关键点,结合结构布置,正确选择各分部的抗震等级,构件设计应注重抗震延性设计的概念,对主要构件进行加强是设计的重点。
参考文献：
[1]梅洪元，付本臣．中国高层建筑创作理论发展研究[R]．高层建筑与智能建筑国际学术研讨会，2010.[2]范小平，高层建筑结构概念设计中相关的几个问题应用分析[J]福建建材，2010 [3]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，2009
[4]于险峰．高层建筑结构设计特点及其体系[J]．建筑技术，2009（24）.
[5]陈平.高层建筑外部空间的构成要素和设计手法分析[J].中国新技术新产品, 2009,(15).
关键词：高层建筑；换层；结构设计
Abstract: In recent years, the rapid development of high-rise buildings at home and abroad, the modern high-rise building toward the comprehensive development of complex, diverse functions. On the one hand, to provide a good living environment and working conditions for the people, embodies the concept of human nature design; on the other hand, the building structure in complex stress, seismic performance variation, structural analysis and design method of complex. Structure design based on a high-rise building with transfer story as an example, discussed the key points in the design of high-rise building with girder transfer floor structure.
Key words: high-rise building; structure design for layer;
中图分类号：TU3文献标识码：A文章编号：
关键词: 梁式转换层设计要点设计要求
1.工程概况
该工程地下二层,地上裙房三层,总层数三十一层。一层.二层高为4.5米,三层层高均为5.5米,四层至三十一层层高均为3.0米,建筑物总高98.95m。该工程地下二层为车库及平战结合的六级民防地下室,地下一层为大卖场及车库,一～三层为商场,四～三十一层为高级公寓。建筑抗震设防类别:为丙类;抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度0.05g;设计地震分组为第一组;场地类别为Ⅱ类。转换层设在第三层楼面。转换层结构平面简图见图1。采用中国建筑科院编制的2010版PKPM - SATWE程序进行计算。
图1转换层结构平面简图
2.转换层型式的选择
各种形式转换层的优缺点详见表2.1:
转换层 优点 缺点
梁式转换层 设计和施工均较为简单。传力直接、明确、受力性能好、构造简单和施工方便 当上下轴线错位布置时，需增设较多的转换次梁，空间受力较为复杂
箱式转换层 转换梁的约束强，刚度大整体工作效果好，上下部传力较为均匀，并且建筑功能上还可将其作为“设备层” 转换梁梁中开设备洞较多，施工复杂。且造价较高
厚板式转换层 下部柱网受上部结构布局影响较小，可灵活布置。厚板刚度很大，形成性较好，而且施工也较为偏介 厚板自重很大，地震作用也大，容易产生震害。并且材料耗用多，经济性也较差
桁架式转换层 框框支柱柱顶弯矩和剪力比其他几种转换形式相对较小 施工复杂程度较高，且对于轴线错位布置时难度较大
表2.1各形式转换层优缺点对比
3.梁式转换层的结构设计要点
3.1抗震等级的确定
本工程转换层以下为框架- 剪力墙结构,转换层以上为纯剪力墙结构,是多种结构形式共存的复杂高层建筑,因而不能象单纯的框架结构或剪力墙结构那样笼统地确定抗震等级,而应该严格按照现行规范的不同章节,有针对性地分别确定结构体系各部位不同结构构件的抗震等级,这是设计的关键点。
楼层最小地震剪力控制（抗震规范 5.2.5，高规 4.3.12）
抗震验算时，结构任一楼层的水平地震剪力应符合下式要求∶
VEKi>λ(Gi+ Gi+1 +….+Gn)
式中VEki—第i层对应于水平地震作用标准值的楼层剪力；
λ---剪力系数，不应小于下表规定的楼层最小地震剪力系数值，对于竖向不规则结构的薄弱层，尚应乘以1.15的增大系数；
Gi---地震时结构第i层的重力荷载代表值。
（结构自重标准值加可变荷载组合值）
楼层最小地震剪力系数值：
类别 7度 8度9度
扭转效应明显或
基本周期小于3.5s 0.016(0.024) 0.032(0.048)0.064
基本周期大于5.0s 0.012(0.018) 0.024(0.032)0.040
注∶1、基本周期介于3.5s和5s之间的结构，可插入取值；2、括号内数值分别用于设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区。
水平地震影响系数最大值αmax ∶
0.08（ 0.12 ） 0.16（ 0.24） 0.32
综上所述,本工程各部位的抗震等級确定详见表3.1.1:
表3.1.1 各部位抗震等级表
3.2结构竖向布置
高层建筑的侧向刚度宜下大上小,且应避免刚度突变而带转换层的高层建筑结构显然有悖于此。转换层上下等效侧向刚度比宜接近于1,不应大于1.3。在设计过程中,应把握的原则归纳起来,就是要强化下部,弱化上部。可以采用的方法有以下几种:
(1)与建筑专业协商,使尽可能多的剪力墙落地,必要时甚至可在底部增设部分剪力墙(不伸上去) 。除核心筒部分剪力墙在底部必须设置外,还与建筑专业协商后,让两侧各有一片剪力墙落地1这些无疑都大大增强了底部刚度。
(2)加大底部剪力墙厚度。转换层以下剪力墙中,核心筒部分的厚度取为600mm,其余部分的厚度取为400mm。
(3)底部剪力墙尽量不开洞或开小洞,以免刚度削弱太大。
(4)提高底部柱、墙混凝土强度等级,采用C50 混凝土(框支柱采用C50混凝土) 。
(5)适当减少转换层上部剪力墙数目,控制剪力墙厚度,并可在某些较长剪力墙中部开结构洞,以弱化上部刚度。弱化上部刚度不仅对控制刚度比有利,还可减轻建筑物重量,减小框支梁承受的荷载;增大结构自振周期,减小地震作用力。
工程综合采用上述几种方法后,转换层上下刚度比在X方向为0.725,在Y方向为0.813,满足规范要求,效果良好。虽然上下部刚度比满足要求,但毕竟工程仍属于竖向不规则结构,转换层及其下各层为结构薄弱层,因而应将该两层的地震剪力乘以1.15的增大系数。
3转换构件设计要求
3.1框支柱
工程框支柱抗震等级为特一级,轴压比不得大于0.6 ,对部分因截面尺寸较大而形成的“短柱”,不得大于0.55。柱截面延性还与配箍率有密切关系,因而框支柱的配箍率也比一般框架柱的大得多。箍筋不得小于Ф10@100,全长加密,且配箍率不得小于1.5%。在工程中,个别框支柱还兼做剪力墙端柱,所以还应满足约束边缘构件配箍特征值不小于0.2的要求,折算成配箍率(C50混凝土)即为2.64%。框支柱为非常重要的构件,为增大安全性,对柱端剪力及柱端弯矩均要乘以相应的增大系数,每层框支柱承受剪力之和应取基底剪力的30%。
3.2框支梁
框支梁截面尺寸一般由剪压比控制,宽度不小于其上墙厚的2倍,且不小于400mm;高度不小于计算跨度的1 /6。工程框支梁梁宽统一定为800mm。框支梁受力巨大且受力情况复杂,它不但是上下层荷载的传输枢纽,也是保证框支剪力墙抗震性能的关键部位,是一个复杂而重要的受力构件,因而在设计时应留有较多的安全储备,特一级抗震等级的框支梁纵筋配筋率不得小于0.6%。框支梁在满足计算要求下,配筋率不小于0.8%。框支梁一般为偏心受拉构件,梁中有轴力存在,因而应配置足够数量的腰筋。腰筋采用Ф16,沿梁高间距不大于200mm,并且应可靠锚入支座内。
3.3转换层楼板
框支剪力墙结构以转换层为分界,上下两部分的内力分布规律是不同的。在上部楼层,外荷载产生的水平力大体上按各片剪力墙的等效刚度比例分配;而在下部楼层,由于框支柱与落地剪力墙间的刚度差异,水平剪力主要集中在落地剪力墙上,即在转换层处荷载分配产生突变。转换层楼板承担着完成上下部分剪力重分配的任务;并且由于转换层楼板自身平面內受力很大,而变形也很大,所以转换层楼板必须有足够的刚度作保证。转换层楼板采用C50混凝土,厚度180mm。Ф14 @150 钢筋双层双向整板拉通, 配筋率达到0.28%。另外,为了协助转换层楼板完成剪力重分配,将该层以上两层及以下各层楼板也适当加强,均取厚度150mm。
4结语
通过高层建筑转换层结构设计的工程实践,体会如下:根据建筑平面及功能要求合理选择转换层形式,正确选择建筑抗震类别是转换层设计的关键点,结合结构布置,正确选择各分部的抗震等级,构件设计应注重抗震延性设计的概念,对主要构件进行加强是设计的重点。
参考文献：
[1]梅洪元，付本臣．中国高层建筑创作理论发展研究[R]．高层建筑与智能建筑国际学术研讨会，2010.[2]范小平，高层建筑结构概念设计中相关的几个问题应用分析[J]福建建材，2010 [3]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，2009
[4]于险峰．高层建筑结构设计特点及其体系[J]．建筑技术，2009（24）.
[5]陈平.高层建筑外部空间的构成要素和设计手法分析[J].中国新技术新产品, 2009,(15).