郭勇勇（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院，廣東　廣州　510010）

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高層建筑型鋼混凝土轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

郭勇勇（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州510010）

高層建筑轉(zhuǎn)換層是一種基于主體框架以轉(zhuǎn)換層上下結(jié)構(gòu)的剛度突變形式，豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件呈非連續(xù)狀態(tài)，受力極為復(fù)雜，在承受強(qiáng)烈地震作用情況下，轉(zhuǎn)換層會(huì)承載較大的內(nèi)力荷載并產(chǎn)生塑性變形現(xiàn)象，由此引起結(jié)構(gòu)尺寸變大，嚴(yán)重制約建筑物發(fā)揮使用功能。因此，筆者將在本文中以滿足建筑結(jié)構(gòu)抗震和基本使用需求的前提條件下，闡述高層建筑型鋼混凝土轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，保證建筑結(jié)構(gòu)抗震指標(biāo)和優(yōu)化轉(zhuǎn)換構(gòu)件的外觀尺寸。

高層建筑；型鋼混凝土；轉(zhuǎn)換層；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一般地沿街高層建筑，底部基層主要作為商業(yè)用房，受限于高層剪力墻結(jié)構(gòu)會(huì)嚴(yán)重制約商用功能，因而通過設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，可減少普通剪力墻結(jié)構(gòu)的部分弊端。而型鋼混凝土轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，又可優(yōu)化結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的外觀尺寸。型鋼混凝土轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)須達(dá)到高層建筑結(jié)構(gòu)的基本受力要求，還需達(dá)到建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的其他相關(guān)規(guī)定。設(shè)計(jì)計(jì)算高層建筑整體結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)側(cè)向的剛度要求符合既定規(guī)范，且須保證建筑結(jié)構(gòu)在收到強(qiáng)烈地震作用下的位移與扭轉(zhuǎn)情況效果良好，內(nèi)部構(gòu)造布置合理。除此以外，仍需進(jìn)一步強(qiáng)化高層建筑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的分析與計(jì)算，并做好相應(yīng)的型鋼混凝土節(jié)點(diǎn)處理工作。以下，即以某工程實(shí)例設(shè)計(jì)說明。

1　高層建筑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)闡述

同個(gè)高層建筑物，順著建筑高度方向其不同層的使用功能可能有所不同，比如底層商用層往往需要較大的使用空間，墻體少且柱體半徑大；中層辦公層需要中等大小的使用空間，可于柱網(wǎng)內(nèi)設(shè)計(jì)部分墻體；上層生活層，則布置較多墻體和小徑柱網(wǎng)。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面講，底部商用層多采用框架結(jié)構(gòu)、中部辦公層采用框剪結(jié)構(gòu)和底部生活層采用剪力墻結(jié)構(gòu)。因此，為滿足同一高層建筑物內(nèi)三種不同結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計(jì)，須于兩種不同結(jié)構(gòu)體系之間布置水平轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，也就是本文所講的型鋼混凝土轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通常，高層建筑物的底部樓層于豎直方向的結(jié)構(gòu)體系從型式上看與上部樓層的結(jié)構(gòu)型式差異較大，須在二者之間設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。

1.1轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的分類

（1）上下結(jié)構(gòu)類型的轉(zhuǎn)換。剪力墻與框剪結(jié)構(gòu)內(nèi)，底部樓層為使用空間較大的商用層或其他公共空間，可將剪力墻結(jié)構(gòu)利用轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)使之轉(zhuǎn)換為框架結(jié)構(gòu)，從而保證底部樓層內(nèi)的使用空間變大，此種應(yīng)用下部框架結(jié)構(gòu)來承載上部剪力墻結(jié)構(gòu)的型式稱之為框支剪力墻。

（2）上下結(jié)構(gòu)的軸線轉(zhuǎn)換和柱網(wǎng)轉(zhuǎn)換。筒中筒結(jié)構(gòu)內(nèi)，外框筒設(shè)計(jì)為密柱深梁，導(dǎo)致建筑物沒有較大的出入口。針對(duì)此種情況，可以通過外框筒的周邊柱線來設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，從而擴(kuò)大下部層柱網(wǎng)的布置間距，構(gòu)成大徑柱網(wǎng)即可滿足基本的出入口需求，然而其上下結(jié)構(gòu)類型并未出現(xiàn)變化。

（3）上下結(jié)構(gòu)類型與柱網(wǎng)均轉(zhuǎn)換?？蛑Ъ袅Y(jié)構(gòu)內(nèi)，上部樓層通常為生活層，多采用平面組合軸線剪力墻結(jié)構(gòu)，下部樓層則多為商用層，可設(shè)計(jì)大空間軸線布置框架結(jié)構(gòu)。該體系不但在上下結(jié)構(gòu)的類型方面有所不同，且上下的軸線和柱網(wǎng)也發(fā)生了變化，利用結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層可良好傳遞荷載。

1.2轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的型式

基于轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的基本定義，高層建筑上部樓層與基礎(chǔ)工程也可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，鋼筋混凝土梁式、筏型基礎(chǔ)、帶形基礎(chǔ)等形式均可在建筑主體結(jié)構(gòu)上完成轉(zhuǎn)換。梁式轉(zhuǎn)換擁有傳力簡(jiǎn)單和受力明確的特點(diǎn)，通常被應(yīng)用在底部空間較大的剪力墻結(jié)構(gòu)內(nèi)，目前應(yīng)用較為常見。轉(zhuǎn)換梁構(gòu)件自縱向或橫向平行方向合理設(shè)計(jì)，如縱橫兩向均需轉(zhuǎn)換，即可選用雙向梁的設(shè)計(jì)方案。當(dāng)出現(xiàn)上下結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)與軸線錯(cuò)開較多的情況，無法通過梁構(gòu)件來承載，即可將其設(shè)計(jì)為厚板構(gòu)件，從而構(gòu)成板式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。板式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的下部樓層的柱網(wǎng)布置較為靈活，且施工便利，但仍然存在自重較大和材料消耗量過大的缺點(diǎn)。梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)則于大跨度轉(zhuǎn)換梁構(gòu)件中較為適用，但梁式轉(zhuǎn)換不能適用于大型管道系統(tǒng)，主要原因就在于它不利于建筑空間的最大化利用。因此，我們也可采用桁架轉(zhuǎn)換的型式來取代梁式轉(zhuǎn)換，它具有受力好、結(jié)構(gòu)自重輕和可充分利用適用空間等優(yōu)點(diǎn)，然而施工方面則更為復(fù)雜。桁架轉(zhuǎn)換層通過單向拖梁或雙向拖梁與厚板一并工作，可共同構(gòu)成大剛度箱型轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，可通過上下層樓板與剪力墻結(jié)構(gòu)共同工作。

2　工程概況

某高層建筑總建筑高度78m，主體長(zhǎng)約28m，最大寬度約16m，地下結(jié)構(gòu)為1層，地上結(jié)構(gòu)為25層。地下層作為停車場(chǎng)，層高約為5.6m，地上結(jié)構(gòu)1～3層作為商用層，底部樓層高約4.4m，2～3層高約3.9m。4～4層以上作為生活層，標(biāo)準(zhǔn)層高約3m。本建筑物部分樓層采用框支剪力墻結(jié)構(gòu)，4層設(shè)置框支轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。本建筑抗震設(shè)計(jì)等級(jí)為丙類，結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)等級(jí)為二級(jí)，抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，基本的地震加速度為0.15g，地震分組為第一組，阻尼比0.05，場(chǎng)地土質(zhì)類別為Ⅱ類，地面粗糙度A，五十年一遇風(fēng)壓約為0.8kN/m2，一百年一遇風(fēng)壓約為0.88kN/m2。按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的要求，本建筑的框架結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)1級(jí)，剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)2級(jí)。

3　基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

按照地質(zhì)勘查報(bào)告來看，本項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)地勢(shì)較為平順，基礎(chǔ)土方多分布雜填土、粘性土和巖層，由地質(zhì)特性來劃分土層的基本情況如下：

（1）雜填土：極限摩阻力為35kPa；

（2）素填土：極限摩阻力為28kPa；

（3）粉質(zhì)粘土：極限摩阻力為85kPa；

（4）殘積砂質(zhì)粘性土：極限摩阻力為75kPa，極限端阻力6500kPa；

（5）全風(fēng)化花崗巖：極限摩阻力為95kPa，極限端阻力7500kPa；

（6）砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖：極限摩阻力為120kPa，極限端阻力11000kPa；

（7）碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖：極限端阻力13000kPa。

按照本項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況來看，地下基礎(chǔ)采用靜壓預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁形式 （PHC），設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為2030米的PHC500-125-AB型管樁，持力層為全風(fēng)化花崗巖以下部分，管樁進(jìn)入持力層不低于2m。經(jīng)計(jì)算與分析，單管樁的承載力特征值約為2300kN，承臺(tái)的厚度約為1800mm。我們也可考慮部分的框支柱選用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)型式，局部承臺(tái)厚度設(shè)計(jì)3Hs+700mm。

4　轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算與分析

建立科學(xué)的PKPM系列軟件SATWE程序的中國(guó)研究院的計(jì)算和分析，審查和使用PMSAP軟件。根據(jù)地震力的計(jì)算，X，Y兩個(gè)方向，0.95周期折減系數(shù)，根據(jù)風(fēng)荷載計(jì)算X，Y兩個(gè)方向，扭轉(zhuǎn)耦合和剛性區(qū)域，采用剛性樓板假定位移計(jì)算分析。傳輸層定義為薄弱層，通過調(diào)整系數(shù)0.2q剪切層與層架下方。的剛度放大系數(shù)為2，1.5邊梁，梁剛度折減系數(shù)為0.8，計(jì)算了30種模式。內(nèi)力組合，恒載分項(xiàng)系數(shù)1.2，活荷載分項(xiàng)系數(shù)1.3系數(shù)1.4，地震荷載分項(xiàng)系數(shù)1.3，風(fēng)荷載系數(shù)1.4，在最大長(zhǎng)度殼單元控制墻元細(xì)分。在特定的構(gòu)件中定義為框架抗震等級(jí)?；A(chǔ)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40四層墻柱上，梁板為C30；47層墻柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)C35，梁板C25；七層以上的混凝土墻梁柱C30強(qiáng)度等級(jí)為C25，建筑板。1～3層為商業(yè)用途，因此它需要的是上部剪力墻結(jié)構(gòu)的一部分，用于商業(yè)用途的轉(zhuǎn)換。要求框架柱、框架梁的尺寸不宜過大，而剪力墻結(jié)構(gòu)可以設(shè)置沿縱向相對(duì)較少，多集中在東部和飛機(jī)的西側(cè)，與裙房連接山墻由于需求，剪力墻山墻也需要轉(zhuǎn)換，所以平面剛度相對(duì)薄弱。削弱結(jié)構(gòu)的整體剛度。鋼筋混凝土框架柱梁的計(jì)算結(jié)果框架柱尺寸過大，影響了商用功能，框架梁的高度過高，建筑高度明顯不合理，從而影響到整個(gè)商業(yè)使用質(zhì)量。根據(jù)SATWE程序序列特異性的試驗(yàn)結(jié)果，在柱箱與箱梁鋼筋混凝土（SRC）。經(jīng)過重新調(diào)整，周期內(nèi)的值、位移值和基底剪力重比均在規(guī)定的范圍內(nèi)，也滿足框架柱的軸壓比小于0.6，框支梁柱的尺寸明顯優(yōu)化?？蚣苤孛娉叽绲?00×800，框支梁的尺寸700×1200。在SATWE總體分析和規(guī)范要求計(jì)算是滿意的，和其他采用PMSAP程序分析和回顧，其結(jié)果符合要求規(guī)范（見表1～2）。

表1　數(shù)據(jù)模型周期計(jì)算結(jié)果

表2　剪重比、最大層位移比計(jì)算結(jié)果

5　框支轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化

帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)和層筒壁，主要結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中，復(fù)雜的框架，這個(gè)項(xiàng)目除了采用SATWE計(jì)算結(jié)果框構(gòu)件設(shè)計(jì)、墻配筋計(jì)算軟件剪切有限元框架（FEQ），以框支層下一層和上三層復(fù)核框支層之上的剪力墻、轉(zhuǎn)換構(gòu)件，并結(jié)合二者的復(fù)核結(jié)果設(shè)計(jì)相應(yīng)構(gòu)件。同時(shí)根據(jù)構(gòu)件的彎矩和剪力的計(jì)算結(jié)果，根據(jù)實(shí)際情況，鋼框架梁柱尺寸的鋼翼緣和腹板厚度優(yōu)化的類型，使用bh400×300×10×20型鋼框架柱箱、中型鋼柱從框架層到基礎(chǔ)框架的支撐鋼梁的h900×300× 10×25。除計(jì)算上述結(jié)構(gòu)的調(diào)整外，還采取以下措施提高整體變形能力的整體協(xié)調(diào)能力。使用180mm轉(zhuǎn)換層樓板厚度，采用雙層雙向配置鋼筋混凝土樓板，控制最小配筋率為0.25%，在轉(zhuǎn)換層相鄰的每一層都用120mm厚板，板的配筋也采用雙層雙向配筋。在底部的剪力墻，加強(qiáng)區(qū)域，根據(jù)抗震等級(jí)要求加強(qiáng)。

6　結(jié)束語

綜上所述，經(jīng)闡述某高層建筑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的計(jì)算與分析過程，筆者了解到高層建筑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化需要滿足多方面的要求，既有外觀造型要求，也有使用性能要求；既有結(jié)構(gòu)體系合理布置的要求，又有滿足結(jié)構(gòu)安全性的要求。在設(shè)計(jì)計(jì)算與分析過程中，我們需要充分考慮必選多個(gè)振型，保證其有效質(zhì)量系數(shù)不低于90%，從而確保設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)最小。與此同時(shí)，不同力學(xué)模型的抗震計(jì)算往往需要一整體計(jì)算控制為前提條件，在整體計(jì)算控制的前提下還必須輔以轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的有限元分析。

［1］傅學(xué)怡.實(shí)用高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

［2］佟道林，習(xí)朝位，李繼光.帶轉(zhuǎn)換層雙塔樓連體高層建筑結(jié)構(gòu)模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究［J］.高層建筑抗震技術(shù)交流會(huì)，2014（08）：45～47.

［3］錢稼茹，吳美良，方小丹.帶高位轉(zhuǎn)換層高層建筑的模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)分析［J］.中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與檢測(cè)技術(shù)暨結(jié)構(gòu)試驗(yàn)課教學(xué)研討會(huì).2006.

［4］高向宇，周福霖，羅學(xué)海.帶有轉(zhuǎn)換層的大底盤多塔樓結(jié)構(gòu)模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2011（15）：112～115.

所獲榮譽(yù)及獎(jiǎng)勵(lì)：2015年度第九屆全國(guó)優(yōu)秀建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三等獎(jiǎng)。

郭勇勇（1985-），男，建筑結(jié)構(gòu)師，本科，主要從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)工作。

TU973

A

2095-2066（2016）12-0143-02

2016-4-11