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摘要: 本文就从使用功能、安全、经济等方面考虑,介绍了剪力墙刚度和高度对待转换层框剪结构受力的影响，结合工作实践，分析了转换层的框架剪力墙结构设计时应需要注意的事项，并加以论述。
关键词: 高层建筑转换层 框剪结构设计若干问题
前言
随着我国经济的快速发展,高层建筑也越来越多,而转换层的框架剪力墙结构设计受力特性也成为高层建筑设计中的研究热点之一。近年来,国内外高层建筑朝着体型复杂、功能多样的综合性方向发展。
从结构受力性能来看,由于高层建筑结构的下部楼层受力很大、上部楼层受力较小,正常的结构布置应是下部刚度大、墙体多、柱网密,到上部逐渐减少墙、柱的数量,以扩大柱网形成较大开间。为了满足建筑功能的要求, 必须对结构进行“反常规设计”,即将上部布置小空间,下部布置大空间；上部布置刚度大的剪力墙,下部布置刚度小的框架柱。为了保证上述结构布置的内力具有可靠的传力途径,就必须在结构转换的楼层设置水平转换构件,即转换层结构。
1.工程概况
本工程是一栋25层商住综合性高层建筑，高 83.lm，总建筑面积 47500 m2。地下2 层为地下停车场及设备用房，地上为A , B 幢塔楼，均为 25 层。其中1~ 4 层为裙房，用作商业用房，4层以上均为住宅。总体建筑剖面如图 1 所示。
由于建筑功能要求底部为大空间，故本工程采用钢筋混凝土框支剪力墙结构，转换层设在第 4 层顶面。地区抗震设防烈度为 7 度第一组，设计基本地震加速度值为 0.10g ，拟建场地为Ⅱ类场地土。结构抗震等级：框支柱为特一级；底部加强部位剪力墙（框支转换层以下及以上两层）为一级；主体框架为一级；非加强部位剪力墙为二级；短肢剪力墙按抗震规范要求提高一级。基础采用桩基础，置于中风化花岗岩层上。地下室人防抗力等级为核六级。
为了满足建筑功能及城市规划对本工程的要求，结构必须处理好以下几个问题：一是转换结构的选择；二是转换层楼板标高的定位及结构计算层高的确定；三是上部窗洞（局部）位于框支柱顶的处理；四是二级转换梁及局部转换梁置于剪力墙（无柱）的处理。
2.刚度对带转换层框剪结构受力的影响
有关研究表明,当剪力墙刚度衰减达44%～60%时,总剪力墙竖向配筋率仍保持不变(由构造配筋率控制) , 而剪力墙水平分布筋的配筋率仅增加8.3%～10% ,总框架的配筋率也仅增加5.9%～6.7%。在经验设计范畴内,这种配筋率的增加可以认为是很小的,而此时剪力墙的混凝土用量却大幅度减少。值得一提的是,剪力墙刚度突变使得剪力墙及其周围梁柱的配筋率增加,只有在转换层内才显得比较突出；而在远离转换层时,其影响大幅减少,甚至反而会对结构的抗震性能有所改善。这是因为刚度的减少使得结构的地震反应也减小。
为保证下部大空间整体结构有适宜的强度、刚度、延性和抗震能力,应尽量增大转换层下部主体结构的刚度,减小转换层上部主体结构的刚度,使转换层上下部主体结构的刚度和变形特征尽量接近。一般控制上下层刚度比尽量接近1,同时≯2,其目的在于防止沿竖向的刚度过于悬殊,不利于抗震。具体措施是提高下部大空间层的混凝土强度等级、争取尽可能多的剪力墙落地、设置补偿剪力墙、加大落地剪力墙厚度等；对上部结构采取剪力墙开洞、开口、短肢等。
3.高度对带转换层框剪结构受力的影响
(1)转换层设置高度的变化对框支剪力墙结构在转换层附近刚度突变的影响。当转换层位于三层以上时,易使框支剪力墙结构在转换层附近层间位移角发生突变。控制转换层下部的框架- 剪力墙结构的等效刚度与同样高度的剪力墙结构的等效刚度相等,实质上是使下部框架- 剪力墙结构的变形特征及刚度与上部剪力墙结构接近,以避免转换层附近刚度突变。因此,对转换层位置较高的框支剪力墙结构,控制其等效刚度是十分必要的,效果也很显著。
(2)转换层设置高度的变化对框支剪力墙结构倾覆力矩分配和传力途径的影响。倾覆力矩分布曲线在转换层处呈现转折,转换层下部是以剪力墙为主的框架- 剪力墙结构,落地剪力墙所分配的倾覆力矩由转换层往下递增较快,而支承框架的倾覆力矩递增量很少。此外,转换层处框支剪力墙的大量剪力通过楼板传递给落地剪力墙,这也是倾覆力矩曲线呈现转折的原因。总的来看,倾覆力矩的分配和传力途径还没有产生明显突变。
(3)转换层设置高度的变化对框支剪力墙结构剪力分配和传力途径的影响。转换层位置较高时,剪力分配突变加剧的另一原因是单片落地剪力墙的转角随着转换层位置的提高而增大,单片框支剪力墙的变形曲线随着转换层位置的提高呈现出转折, 即转换层下部的框架变形曲线与转换层上部剪力墙变形曲线不协调的程度加大。落地墙和框支墙两种墙体的变形通过弹性楼板的协调而趋于接近,从而导致剪力分配突变。我们调整转换层下部落地剪力墙的等效刚度可减小其转角,改善剪力分配突变,但难以做到像底层框支剪力墙结构那样的剪力分配情况。
(4)转换层较高的框支剪力墙结构更易形成薄弱层。对于底层框支剪力墙结构体系有一个基本的抗震设计概念,即保证底层结构的刚度和强度,使结构在地震作用下的屈服发生在转换层以上的剪力墙结构,底层结构不屈服,仅出现少量裂缝。拟动力试验和理论分析表明,该结构体系可满足7度和8度抗震设防要求,其抗震设计概念是合理的。对转换层较高的框支剪力墙结构,很难做到转换层下部框支结构在地震作用下仅出现少量裂缝；相反,当转换层位置较高时,转换层附近几层更容易形成薄弱层。
总之,当转换层位置较高时,易使框支剪力墙结构在转换层附近的刚度、内力和传力途径发生突变,并易形成薄弱层,对抗震不利,其抗震设计概念与底层框支剪力墙结构有较多差异。因此,应限制转换层的设置高度。
4. 设计时需要注意的其他几个因素
(1)转换次数:布置转换层上下主体竖向结构时,要注意尽可能多地布置成上下主体竖向结构连续贯通,尤其是在核心筒框架结构中,核心筒宜尽量上下贯通。
(2)传力要求:布置转换层上下主体竖向结构时,要注意尽可能使水平转换结构传力直接,尽量避免多级复杂转换,更应尽量避免传力复杂、对抗震不利、质量大、耗材多、不经济、不合理的厚板转换。对于剪力墙结构,上部剪力墙应落在托梁的中面上,以免使托梁受到大的扭矩,地震时容易产生震害。因此,应避免剪力墙托梁的偏心和间接传力。
(3)轴压比限值与短柱:采用转换层后,高层建筑底部的若干柱子要承受上部结构荷重。因柱距受建筑功能的制约,柱截面又要满足轴压比和上下层剪切刚度比的要求,因而柱子大多为对抗震不利的短柱。由于大幅度增加层高不太可能,也不经济,为避免短柱的出现只有减小柱截面,然而减小柱截面有时可能很难满足轴压比限值。因此,在设计中必须进行重点研究。
(4)高位转换框支柱的处理:由于框支柱内力、轴压比、配筋等要求都严于普通框架柱,这就涉及到安全与经济的问题,必须慎重考虑。一般框支柱只需在4～5层范围内予以考虑,最多≯7层,而在其他层的柱应全按框架柱处理。对于目前大部分转换层设在3～5层的结构,则转换层下的柱应全按框支柱处理。
(5)优化配置:在抗震设计中,当因为建筑功能需要高位转换时,转换结构宜优先选择不致于引起框支柱柱顶弯矩过大、柱剪力过大的结构形式,如斜腹杆析架、空腹析架和宽扁梁等,同时要注意满足强度、刚度要求,避免脆性破坏。
(6)厚板转换层。许多商住楼的上层结构轴线不一致,转换粱无法布置,往往设置厚板转换层,其厚度可达2m～2.5 m。而在地震作用下,由于厚板集中了很大的刚度和质量,地震反应强烈,不仅板本身受力很大,而且由于沿竖向刚度突然变化,相邻的上下层也受到很大的作用力,容易产生震害。此外,在竖向力和地震力的共同作用下,板可能发生冲切破坏和剪切破坏,板内必须三向配筋。从已有的工程来看,带厚板转换层的结构设计与施工比较复杂,材料用量和造价都较高,在抗震设计上问题较多,采用时必须慎重。
5.结束语
综上所述，在高层建筑结构设计时,不论是从使用功能、从安全、经济等方面考虑,合理地选择转换梁的刚度和转换层的设置及形式至关重要。必须认真做好概念设计并分析结构的薄弱环节，建立较为简洁可靠且符合实际的结构计算模型，注意框支梁框支柱配筋的特殊性。另外数据的输出量比较大，需要对计算结构进行分析、评判，适时地对结构布置进行修改、优化，才能得到正确的设计结果。对结构进行整体分析时,应注意转换层的垂直位置、转换层结构变形及转换层上下层剪切刚度比对结构的影响。应选择受力明确、传力直接的转换层结构形式,并在此基础上考虑工程的綜合造价问题。
参考文献:
[1]魏琏,韦承基,王森. 高层建筑转换梁结构承载能力及配筋方法的试验研究[J].建筑结构学报, 2001(2)；
[2]熊进刚,吴晓莉,程文,等. 有梁式转换层的高层建筑结构设计与研究[J]. 工业建筑, 2001(6)；
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词: 高层建筑转换层 框剪结构设计若干问题
前言
随着我国经济的快速发展,高层建筑也越来越多,而转换层的框架剪力墙结构设计受力特性也成为高层建筑设计中的研究热点之一。近年来,国内外高层建筑朝着体型复杂、功能多样的综合性方向发展。
从结构受力性能来看,由于高层建筑结构的下部楼层受力很大、上部楼层受力较小,正常的结构布置应是下部刚度大、墙体多、柱网密,到上部逐渐减少墙、柱的数量,以扩大柱网形成较大开间。为了满足建筑功能的要求, 必须对结构进行“反常规设计”,即将上部布置小空间,下部布置大空间；上部布置刚度大的剪力墙,下部布置刚度小的框架柱。为了保证上述结构布置的内力具有可靠的传力途径,就必须在结构转换的楼层设置水平转换构件,即转换层结构。
1.工程概况
本工程是一栋25层商住综合性高层建筑，高 83.lm，总建筑面积 47500 m2。地下2 层为地下停车场及设备用房，地上为A , B 幢塔楼，均为 25 层。其中1~ 4 层为裙房，用作商业用房，4层以上均为住宅。总体建筑剖面如图 1 所示。
由于建筑功能要求底部为大空间，故本工程采用钢筋混凝土框支剪力墙结构，转换层设在第 4 层顶面。地区抗震设防烈度为 7 度第一组，设计基本地震加速度值为 0.10g ，拟建场地为Ⅱ类场地土。结构抗震等级：框支柱为特一级；底部加强部位剪力墙（框支转换层以下及以上两层）为一级；主体框架为一级；非加强部位剪力墙为二级；短肢剪力墙按抗震规范要求提高一级。基础采用桩基础，置于中风化花岗岩层上。地下室人防抗力等级为核六级。
为了满足建筑功能及城市规划对本工程的要求，结构必须处理好以下几个问题：一是转换结构的选择；二是转换层楼板标高的定位及结构计算层高的确定；三是上部窗洞（局部）位于框支柱顶的处理；四是二级转换梁及局部转换梁置于剪力墙（无柱）的处理。
2.刚度对带转换层框剪结构受力的影响
有关研究表明,当剪力墙刚度衰减达44%～60%时,总剪力墙竖向配筋率仍保持不变(由构造配筋率控制) , 而剪力墙水平分布筋的配筋率仅增加8.3%～10% ,总框架的配筋率也仅增加5.9%～6.7%。在经验设计范畴内,这种配筋率的增加可以认为是很小的,而此时剪力墙的混凝土用量却大幅度减少。值得一提的是,剪力墙刚度突变使得剪力墙及其周围梁柱的配筋率增加,只有在转换层内才显得比较突出；而在远离转换层时,其影响大幅减少,甚至反而会对结构的抗震性能有所改善。这是因为刚度的减少使得结构的地震反应也减小。
为保证下部大空间整体结构有适宜的强度、刚度、延性和抗震能力,应尽量增大转换层下部主体结构的刚度,减小转换层上部主体结构的刚度,使转换层上下部主体结构的刚度和变形特征尽量接近。一般控制上下层刚度比尽量接近1,同时≯2,其目的在于防止沿竖向的刚度过于悬殊,不利于抗震。具体措施是提高下部大空间层的混凝土强度等级、争取尽可能多的剪力墙落地、设置补偿剪力墙、加大落地剪力墙厚度等；对上部结构采取剪力墙开洞、开口、短肢等。
3.高度对带转换层框剪结构受力的影响
(1)转换层设置高度的变化对框支剪力墙结构在转换层附近刚度突变的影响。当转换层位于三层以上时,易使框支剪力墙结构在转换层附近层间位移角发生突变。控制转换层下部的框架- 剪力墙结构的等效刚度与同样高度的剪力墙结构的等效刚度相等,实质上是使下部框架- 剪力墙结构的变形特征及刚度与上部剪力墙结构接近,以避免转换层附近刚度突变。因此,对转换层位置较高的框支剪力墙结构,控制其等效刚度是十分必要的,效果也很显著。
(2)转换层设置高度的变化对框支剪力墙结构倾覆力矩分配和传力途径的影响。倾覆力矩分布曲线在转换层处呈现转折,转换层下部是以剪力墙为主的框架- 剪力墙结构,落地剪力墙所分配的倾覆力矩由转换层往下递增较快,而支承框架的倾覆力矩递增量很少。此外,转换层处框支剪力墙的大量剪力通过楼板传递给落地剪力墙,这也是倾覆力矩曲线呈现转折的原因。总的来看,倾覆力矩的分配和传力途径还没有产生明显突变。
(3)转换层设置高度的变化对框支剪力墙结构剪力分配和传力途径的影响。转换层位置较高时,剪力分配突变加剧的另一原因是单片落地剪力墙的转角随着转换层位置的提高而增大,单片框支剪力墙的变形曲线随着转换层位置的提高呈现出转折, 即转换层下部的框架变形曲线与转换层上部剪力墙变形曲线不协调的程度加大。落地墙和框支墙两种墙体的变形通过弹性楼板的协调而趋于接近,从而导致剪力分配突变。我们调整转换层下部落地剪力墙的等效刚度可减小其转角,改善剪力分配突变,但难以做到像底层框支剪力墙结构那样的剪力分配情况。
(4)转换层较高的框支剪力墙结构更易形成薄弱层。对于底层框支剪力墙结构体系有一个基本的抗震设计概念,即保证底层结构的刚度和强度,使结构在地震作用下的屈服发生在转换层以上的剪力墙结构,底层结构不屈服,仅出现少量裂缝。拟动力试验和理论分析表明,该结构体系可满足7度和8度抗震设防要求,其抗震设计概念是合理的。对转换层较高的框支剪力墙结构,很难做到转换层下部框支结构在地震作用下仅出现少量裂缝；相反,当转换层位置较高时,转换层附近几层更容易形成薄弱层。
总之,当转换层位置较高时,易使框支剪力墙结构在转换层附近的刚度、内力和传力途径发生突变,并易形成薄弱层,对抗震不利,其抗震设计概念与底层框支剪力墙结构有较多差异。因此,应限制转换层的设置高度。
4. 设计时需要注意的其他几个因素
(1)转换次数:布置转换层上下主体竖向结构时,要注意尽可能多地布置成上下主体竖向结构连续贯通,尤其是在核心筒框架结构中,核心筒宜尽量上下贯通。
(2)传力要求:布置转换层上下主体竖向结构时,要注意尽可能使水平转换结构传力直接,尽量避免多级复杂转换,更应尽量避免传力复杂、对抗震不利、质量大、耗材多、不经济、不合理的厚板转换。对于剪力墙结构,上部剪力墙应落在托梁的中面上,以免使托梁受到大的扭矩,地震时容易产生震害。因此,应避免剪力墙托梁的偏心和间接传力。
(3)轴压比限值与短柱:采用转换层后,高层建筑底部的若干柱子要承受上部结构荷重。因柱距受建筑功能的制约,柱截面又要满足轴压比和上下层剪切刚度比的要求,因而柱子大多为对抗震不利的短柱。由于大幅度增加层高不太可能,也不经济,为避免短柱的出现只有减小柱截面,然而减小柱截面有时可能很难满足轴压比限值。因此,在设计中必须进行重点研究。
(4)高位转换框支柱的处理:由于框支柱内力、轴压比、配筋等要求都严于普通框架柱,这就涉及到安全与经济的问题,必须慎重考虑。一般框支柱只需在4～5层范围内予以考虑,最多≯7层,而在其他层的柱应全按框架柱处理。对于目前大部分转换层设在3～5层的结构,则转换层下的柱应全按框支柱处理。
(5)优化配置:在抗震设计中,当因为建筑功能需要高位转换时,转换结构宜优先选择不致于引起框支柱柱顶弯矩过大、柱剪力过大的结构形式,如斜腹杆析架、空腹析架和宽扁梁等,同时要注意满足强度、刚度要求,避免脆性破坏。
(6)厚板转换层。许多商住楼的上层结构轴线不一致,转换粱无法布置,往往设置厚板转换层,其厚度可达2m～2.5 m。而在地震作用下,由于厚板集中了很大的刚度和质量,地震反应强烈,不仅板本身受力很大,而且由于沿竖向刚度突然变化,相邻的上下层也受到很大的作用力,容易产生震害。此外,在竖向力和地震力的共同作用下,板可能发生冲切破坏和剪切破坏,板内必须三向配筋。从已有的工程来看,带厚板转换层的结构设计与施工比较复杂,材料用量和造价都较高,在抗震设计上问题较多,采用时必须慎重。
5.结束语
综上所述，在高层建筑结构设计时,不论是从使用功能、从安全、经济等方面考虑,合理地选择转换梁的刚度和转换层的设置及形式至关重要。必须认真做好概念设计并分析结构的薄弱环节，建立较为简洁可靠且符合实际的结构计算模型，注意框支梁框支柱配筋的特殊性。另外数据的输出量比较大，需要对计算结构进行分析、评判，适时地对结构布置进行修改、优化，才能得到正确的设计结果。对结构进行整体分析时,应注意转换层的垂直位置、转换层结构变形及转换层上下层剪切刚度比对结构的影响。应选择受力明确、传力直接的转换层结构形式,并在此基础上考虑工程的綜合造价问题。
参考文献:
[1]魏琏,韦承基,王森. 高层建筑转换梁结构承载能力及配筋方法的试验研究[J].建筑结构学报, 2001(2)；
[2]熊进刚,吴晓莉,程文,等. 有梁式转换层的高层建筑结构设计与研究[J]. 工业建筑, 2001(6)；
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。