呂 革 吳 菲

（四川省建筑設(shè)計(jì)院，四川 成都 610000）

一、概述

近年來，高層建筑不斷增多，建筑立面，功能的轉(zhuǎn)變也日趨復(fù)雜，尤其是在高層建筑和超高層建筑當(dāng)中，其沿高度方向的建筑功能已經(jīng)不再單一，往往是下部樓層及其裙樓用作商業(yè)等用途，而上部樓層則用作商務(wù)辦公或者住宅等用途。由于這類綜合性的建筑功能需求，給整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)體系提出了更高的要求，使我們建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也越來越具有挑戰(zhàn)性。象這樣一類建筑上部是商務(wù)辦公或者住宅樓層通常需要布置小開間的軸網(wǎng)，并且需要比較多的墻體來進(jìn)行分隔；而下部的商業(yè)樓層則需要布置間距較大的柱網(wǎng)和比較少的墻體分隔，以滿足其對建筑空間的大型、靈活、自由的需求。于是，帶轉(zhuǎn)換高層建筑結(jié)構(gòu)體系就此應(yīng)運(yùn)而生，并在工程實(shí)踐中得到了長足的發(fā)展。而梁式轉(zhuǎn)換，是此類建筑工程普遍采用的一種轉(zhuǎn)換方式。本文結(jié)合工程設(shè)計(jì)實(shí)例對梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析與探討。

二、梁式轉(zhuǎn)換層高層建筑的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念

2.1 加強(qiáng)梁式轉(zhuǎn)換層及下部結(jié)構(gòu)的剛度，要求梁式轉(zhuǎn)換層上下樓層層剛度基本均勻。

2.2 強(qiáng)化和提高梁式轉(zhuǎn)換層以及下部結(jié)構(gòu)抗震承載能力，避免在地震作用下下部主體結(jié)構(gòu)（框支柱及轉(zhuǎn)換梁等）破壞。

三、工程設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1 工程概述

圖1 住宅結(jié)構(gòu)平面（墻厚200mm）

某高層商住樓位于綿陽市三臺(tái)縣濱河路涪江大橋南側(cè)。總用地面積約為4800平方米，建筑面積約10萬m2。建筑物地上26～30層，地下1層。其中裙房3層為商業(yè)，主樓26層為住宅，地下室均為汽車庫和設(shè)備用房。

3.2 結(jié)構(gòu)選型

1）由于該工程為綜合性質(zhì)較的高層建筑,上下建筑功能不同，需要豎向空間具有不同形式的空間組合。由于3層以上為住宅，所需的空間分隔較多，故采用剪力墻結(jié)構(gòu)，平面布置如圖：

2）因?yàn)?層下作商業(yè)用途，所需要的自由空間較多，故下部采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，平面布置如圖：

圖2 二層結(jié)構(gòu)平面

3）在高層建筑結(jié)構(gòu)的底部，當(dāng)上部樓層部分豎向構(gòu)件不能直接連續(xù)貫通落地時(shí)，應(yīng)設(shè)置轉(zhuǎn)換層，形成帶轉(zhuǎn)換層高層建筑。結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換方式較多，以下對箱型、厚板、轉(zhuǎn)換梁三種轉(zhuǎn)換作比較：（1）厚板轉(zhuǎn)換優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)整體性較好，但是的剛度突變較大，質(zhì)量集中，給抗震帶來不利，另外混凝土及鋼材用量也比較大,增加投資成本（2）箱形轉(zhuǎn)換也是結(jié)構(gòu)整體性好,不管上部結(jié)構(gòu)布置多么復(fù)雜,仍能保證上、下豎向構(gòu)件的有效傳力。但是從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度考慮,內(nèi)力分析較為復(fù)雜,轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)的難度相對較大,同厚板相同混凝土及鋼材用量較大，不夠經(jīng)濟(jì)。（3）梁式轉(zhuǎn)換層，優(yōu)點(diǎn)主要是轉(zhuǎn)換構(gòu)件受力明確，設(shè)計(jì)和施工相對較為簡單 ,另外相對于前兩種轉(zhuǎn)換形式更為經(jīng)濟(jì)。內(nèi)部空間自由暢通，能比較容易滿足其它水，電，暖工種的管線布置要求，在轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)受力較小的部位可以開洞口，可滿足建筑功能的要求。綜上所述，梁式轉(zhuǎn)換相對箱型、厚板更為簡單、經(jīng)濟(jì)，因此本工程選擇了梁式轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換方式。

4）經(jīng)過以上的選擇，該工程結(jié)構(gòu)形式確定為帶梁式轉(zhuǎn)換層的部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)。

5）梁式轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)

（1）轉(zhuǎn)換、梁柱、墻、板的截面規(guī)定：

轉(zhuǎn)換梁：轉(zhuǎn)換層梁的截面高度不宜小于計(jì)算跨的1/8。托柱轉(zhuǎn)換梁高度不應(yīng)小于其上所托柱在梁寬方向的截面寬度。框支梁截面寬度不宜大于框支柱相應(yīng)的方向的截面寬度，且不宜小于其上墻體截面厚度的2倍和400的較大值。

框支柱：框支柱截面由軸壓比確定，截面寬度不應(yīng)小于450mm;截面高度不宜小于轉(zhuǎn)換梁跨度的1/12。

墻：底部墻厚加強(qiáng)部位不小于200，落地剪力墻和筒體底部墻體應(yīng)加厚。

板：轉(zhuǎn)換層板厚180mm。

(2)調(diào)整轉(zhuǎn)換層及其上下樓層層剛度基本均勻

由于換層結(jié)構(gòu)豎向抗側(cè)力構(gòu)件的中斷，而導(dǎo)致轉(zhuǎn)換層以下的結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度與樓層屈服強(qiáng)度的驟然減小，引起變形集中和能量集聚而極易發(fā)生嚴(yán)重破壞。因此我們用增大轉(zhuǎn)換層及其下部結(jié)構(gòu)剛度，來達(dá)到轉(zhuǎn)換層及其上下樓層層剛度基本均勻。即設(shè)置一定比例的落地剪力墻，并加大落地剪力墻的厚度或提高轉(zhuǎn)換層混凝土強(qiáng)度等級，必要時(shí)可增設(shè)部分剪力墻。來達(dá)到我們調(diào)整轉(zhuǎn)換層上下層度基本均勻的目的。換層上下結(jié)構(gòu)的剛度比計(jì)算根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》附錄E中的規(guī)定

轉(zhuǎn)換層位于3層及以上時(shí)可采用等效側(cè)向剛度比:

換層位于3層及以上時(shí)其樓層與上層側(cè)向剛度之比:

6)調(diào)整轉(zhuǎn)換層上下樓層層剛度的設(shè)計(jì)措施：

（1）轉(zhuǎn)換層下的剪力墻加厚，并封閉一些洞口，落地剪力墻和中筒外圍墻加厚至400mm，在轉(zhuǎn)換層之上減薄

（2）對轉(zhuǎn)換梁的截面也作了適當(dāng)?shù)募哟蟆?/p>

（3）降低轉(zhuǎn)換層之上混凝土強(qiáng)度等級。

(4)底部剪力墻盡量不開洞或開小洞,以免剛度削弱太大。

7)截面的選擇

本工程轉(zhuǎn)換層的層高為6.60m,轉(zhuǎn)換梁的最大跨度為7.8m。

（1）框 支 梁 800mm1800mm，1200mm×1800 mm，500mm×1400mm。滿足不小于梁計(jì)算跨度1/8的要求。

(2)框支柱 1000mm×1300mm，1000mm×1100mm，1000mm×1400mm。滿足了不應(yīng)小于450；不小于轉(zhuǎn)換梁跨度的1/12。

(3)落地剪力墻 400mm

8)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)布置

由于上部為住宅空間分隔比較多，一次轉(zhuǎn)換尚不能滿足建筑功能需要，因此設(shè)置了二次轉(zhuǎn)換,即設(shè)置轉(zhuǎn)換主梁和次梁。轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)布置平面如圖：

圖3 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)平面

5.結(jié)構(gòu)計(jì)算

(1)規(guī)范規(guī)定：

1）宜考慮平扭偶聯(lián)計(jì)算結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，振型數(shù)不應(yīng)小于15

2）框支框架承擔(dān)的地震傾覆力矩應(yīng)小于結(jié)構(gòu)總地震力矩的50%

3）側(cè)向剛度比大于0.6

4）當(dāng)轉(zhuǎn)換層的位置在3層及3層以上時(shí)，其框支柱、剪力墻底部加強(qiáng)部位的抗震等級提高一級

（2)加強(qiáng)轉(zhuǎn)換層的計(jì)算措施

1）梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)屬于豎向不規(guī)則建筑，應(yīng)特別重視轉(zhuǎn)換層以及底部加強(qiáng)部位的加強(qiáng)，來體現(xiàn)"強(qiáng)柱弱梁"、"強(qiáng)剪弱彎"、"強(qiáng)底層柱底"、"強(qiáng)底層墻底"等的一系列內(nèi)力設(shè)計(jì)值調(diào)整系數(shù)均應(yīng)按規(guī)范予以考慮

2）抗震計(jì)算中，振型數(shù)為24個(gè)。

（3）抗震等級的確定

本工程6度設(shè)防,框支框架抗震等級為二級,剪力墻底部加強(qiáng)部位為二級。由于轉(zhuǎn)換層在3層，屬于高位轉(zhuǎn)換，其框支柱、剪力墻底部加強(qiáng)部位的抗震等級應(yīng)提高一級，因此框支柱、剪力墻底部加強(qiáng)部位的抗震等級應(yīng)定為一級；而非底部加強(qiáng)部位的剪力墻抗震等級定為三級。

(4）整體分析的計(jì)算

帶轉(zhuǎn)換層的高層結(jié)構(gòu)是復(fù)雜的空間受力體系，必須將轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)作為整體結(jié)構(gòu)中的一個(gè)重要組成部分，應(yīng)選擇能反映結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件的實(shí)際受力狀況的力學(xué)模型，選取合適的三維空間分析軟件進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。本工程選用以墻元模型模擬剪力墻的SATWE空間有限元軟件進(jìn)行計(jì)算。

(5)參數(shù)

抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，特征周期為0.40S，根據(jù)所提供的《工程場地地震安全性評價(jià)報(bào)告》：多遇地震時(shí)水平地震影響系數(shù)最大值為0.058，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05。建筑場地類別為Ⅱ類。

(6)計(jì)算結(jié)果

采用SATWE整體分析求出結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移、層間相對位移、落地剪力墻所分擔(dān)的地震剪力，數(shù)據(jù)如下。

A：結(jié)構(gòu)自振。03周期(s);

T1=2.7021 T2=2.4897 T3=2.1630

第一扭轉(zhuǎn)周期和第一平動(dòng)周期之比 ：0.8004

B：各樓層中的最小水平地震剪力系數(shù)λ

X方向 1.15% Y方向 1.22%

C：有效質(zhì)量系數(shù)：

X方向 99.96% Y方向99.50%

D：與規(guī)則性有關(guān)的部分指標(biāo)：

樓層最大層間位移與該樓層層間位移平均值的比值的最大值：

X方向 1.07 Y方向 1.23

樓層側(cè)向剛度與其上與上一層相應(yīng)塔側(cè)移剛度70%的比值或上三層樓層側(cè)向剛度平均值的80%的比值的最小值為

X方向 1.035 Y方向 1.156

抗側(cè)力結(jié)構(gòu)層間承載力與相鄰上一層受剪承載力比值的最小值：1.03

E：最大彈性層間位移角（包括風(fēng)和地震作用）；

地震作用下X方向 1/1722 Y方向1/1819

風(fēng)荷載作用下X方向1/2369

Y方向1/2994

F:框支柱的最大軸壓比 ：0.59

G:剪力墻承擔(dān)的傾覆力矩比值 ：

X方向 85.25% Y方向 91.80%

H:轉(zhuǎn)換層與其相鄰上層的側(cè)向剛度比：

X方向 0.84 Y方向 0.68

I:轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比：

X方向 1.06 Y方向 1.03

J:計(jì)算時(shí)均考慮耦聯(lián)地震作用，并考慮雙向地震作用（計(jì)算位移時(shí)考慮偶然偏心影響）。

4.計(jì)算結(jié)果分析：

1）在計(jì)算過程中，部分框支梁的抗剪沒有滿足規(guī)范的要求，我們?nèi)∑鋬?nèi)力，人工復(fù)核，通過加腋的方式來滿足抗剪要求。

2）換層結(jié)構(gòu)上下層剛度比達(dá)到比較理想的效果

轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比：

X方向1.06 Y方向1.03大于規(guī)范規(guī)定的0.8

轉(zhuǎn)換層與其相鄰上層的側(cè)向剛度比：X方向 0.84

Y方向 0.68 大于規(guī)范規(guī)定的0.6

3）通過以上數(shù)據(jù)分析，本工程計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范的要求。

6.構(gòu)造措施：

1）但是我們還在抗震構(gòu)造措施上加強(qiáng)了轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)：

（1）為確保轉(zhuǎn)換梁在斜裂縫出現(xiàn)后，縱筋能起拉桿作用，形成桁架受力體系，底部縱筋不宜在跨內(nèi)彎起或截?cái)?，而?yīng)全部伸入支座內(nèi)，并有可靠錨固；頂部縱筋在跨中附近不宜過早截?cái)?，最好通長設(shè)置。轉(zhuǎn)換梁截面尺寸較大，沿梁高應(yīng)配置一定數(shù)量的腰筋。它可以提供一定的受彎、受剪承載力，同時(shí)，對抑制裂縫的開展，減小溫度和混凝土收縮的影響都有一定的作用。因此，在設(shè)計(jì)框支梁時(shí)，加強(qiáng)了配筋。框支梁的上、下縱筋的配筋率一般為0.8%左右，腰筋為16@200，配箍率為0.9%；

（2）框支柱的配筋率一般為1.3%，配箍率為1.64%左右；

（3）轉(zhuǎn)換層的樓板厚為180mm，配10@160雙層雙向的鋼筋，配筋率為0.27%

（4）由于帶轉(zhuǎn)換層的高層結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，我們在設(shè)計(jì)過程中采取了在轉(zhuǎn)換層的上層的樓板及剪力墻均采用特別加強(qiáng)加大板厚及配雙層鋼筋，以利于該層內(nèi)力的傳遞和重分布。

結(jié)語：

針對梁式轉(zhuǎn)換部分短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的高層建筑，上下剛度和質(zhì)量不均勻，傳力途徑不直接，轉(zhuǎn)換部位應(yīng)力復(fù)雜的特點(diǎn)，著重研究了梁式轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)方法，從轉(zhuǎn)換梁尺寸選擇、轉(zhuǎn)換梁設(shè)計(jì)與構(gòu)造要求、框支柱的設(shè)計(jì)和構(gòu)造要求等方面闡述梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、計(jì)算與構(gòu)造要求，提供了切實(shí)可行的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對實(shí)際工程的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

[1]JGJ3-2010.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[2].GB 50011-2010.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]熊進(jìn)剛，吳曉莉，陳禮建，等.有梁式轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究 [J].工業(yè)建筑，2001，31(6):34-36.

[4]熊進(jìn)剛，吳曉莉，陳禮建，等.有梁式轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究 [J].工業(yè)建筑，2001，31(6):34-36.