趙夢

（廣州市設計院集團有限公司，廣東 廣州 510620）

0 引言

隨著我國經濟建設的快速發(fā)展，建筑物的高度和跨度不斷增加，越來越多的高層建筑涌現。相較于傳統(tǒng)建筑結構，現如今大部分高層建筑需要較大的下部空間，上部配合使用更為密集的軸網提升穩(wěn)定性。在這種結構下會存在上下軸網尺寸差異問題，導致結構傳力效果不佳。針對這一問題，需要科學選用結構體型并科學設計轉換層，對高層建筑中應用斜柱轉換層結構進行分析，利用更為穩(wěn)固的“三角形”構造體系減小轉換梁截面高度，保證抗側能力。

1 工程概況

以東莞某項目為例，該項目總建筑面積為29967.28m2，屋面結構高度為189.7m，為B 級高度建筑。地下2 層，商業(yè)裙樓采用框架結構，地上共6 層，主屋面高度為28.2m；塔樓主要功能為住宅公寓，層數約47 層，低區(qū)公寓層高3.1m，中高區(qū)loft 層高4.5m，避難層層高4.5m。結構高寬比約為6.6，核心筒高寬比約為17.7。標準層建筑平面如圖1 所示。

圖1 標準層平面布置

本工程抗震設防分類均為標準設防類（丙類），抗震設防烈度為Ⅶ度，設計基本地震加速度為0.1g，設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類。場地粗糙度類別取C 類，特征周期為0.35s[1]。設計基本風壓取50 年一遇風壓0.65kN/m2，舒適度驗算風壓0.35kN/m2。結構Y向主要控制因素為風荷載作用。

恒活荷載均按《建筑結構荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）[1]及業(yè)主要求，低區(qū)公寓部分恒載取2.0kN/m2，活載取2.0kN/m2；中高區(qū)loft 區(qū)域恒載取5.0kN/m2，活載取4.0kN/m2；避難層恒載2.0kN/m2，活載取4.0kN/m2（人員）或7.0kN/m2（設備機房）等。

2 結構選型

根據規(guī)范[2-3]B 級高度鋼筋混凝土高層建筑的最大適用高度，框架-核心筒結構為180m，部分框支剪力墻結構為120m，該項目主要考慮框架核心筒方案及剪力墻方案。塔樓因對走廊凈高要求較高，擬對框架核心筒結構考慮在3.1m 平層處走廊加柱，商業(yè)五層處轉換走廊柱及左右兩端剪力墻；對于剪力墻結構暫不考慮轉換?？蛲步Y構方案主要截面如表1 所示，剪力墻結構方案主要截面如表2 所示?？蛲步Y構框架柱及轉換柱均為型鋼混凝土柱，轉換梁為型鋼混凝土梁，3.1m 平層處走廊最低梁高450mm；剪力墻結構走廊處梁高500mm。墻柱混凝土等級均由C60 逐級降低至C40，梁板混凝土等級為C35。

表1 框筒結構方案主要截面 單位：mm

表2 剪力墻結構方案主要截面

3 計算結果

本次研究主要采用YJK 程序對兩種結構形式分別進行了多遇地震作用及風荷載作用下的分析計算，并對計算結果進行研究分析，主要計算結果如表3 所示。

表3 計算結果

根據規(guī)范的要求，兩個方案的位移角限值分別為1/582 及1/648。經過計算，框筒結構和剪力墻結構在地震作用和風荷載作用下的位移角均滿足規(guī)范要求。

對比兩種結構布置，剪力墻在房間處通長設置，標準層室內可自由布置，但避難層空間無法貫通形成空中花園，存在設備布置受限等問題，且會影響商業(yè)空間布局，需要對外圍剪力墻進行轉換，轉換柱位可參考走廊加柱平面，轉換梁高約3.2m；框筒結構標準層室內可自由布置，底部商業(yè)分隔可以自由靈活布置。

綜合各方面因素考慮及業(yè)主要求，擬選擇采用框筒結構進行深化設計。

4 轉換層結構分析

高層建筑設計轉換層時對整體結構抗震性能會產生一定影響，因此需要重點思考結構抗震性，主要包括以下要點。

（1）轉換層結構抗震性設計主要依靠落地剪力墻承重力量傳導性原理，由于支撐框架傾覆力矩增加不明顯，會導致轉換層位置薄弱，影響整體安全性。在設計時要思考轉換層結構垂直方向承載力情況進行計算[4]。

（2）針對結構穩(wěn)定性問題，還需進行水平方向和豎向方向應力的對比分析。

針對梁式轉換結構和斜柱轉換結構進行對比，根據應力云圖進行分析，在水平和豎向荷載的雙重影響下，兩類轉換結構的水平向應力呈現為斜向分布。兩種轉換結構的壓應力區(qū)為右支柱和左墻肢斜向區(qū)域，并向兩邊逐步轉變?yōu)槔瓚?。從支撐作用角度來看，斜柱轉換結構壓應力區(qū)域發(fā)生轉移，此時墻肢洞口部分凈跨區(qū)段形成的斜向壓力更加集中，能夠實現集中應力，而梁、框支柱則存在明顯的受壓力變小情況。從斜柱轉換結構應力分布情況來看，凈跨區(qū)段和應力效果均比較好，尤其在轉換梁與斜柱的銜接部位。

結合本工程實際情況，因考慮到商業(yè)部分的使用功能，在商業(yè)五層處設置轉換層轉換走廊柱。傳統(tǒng)轉換梁結構，轉換梁梁高較高，試算截面大致為1500mm×3200mm，對室內凈高有較大影響。而對于斜柱轉換，由于斜柱所形成的支撐效果，既能提升荷載抗性，同時又能縮短轉換梁跨度。在整體結構中的主要支承結構為中框支柱，其中斜柱轉能夠減弱結構變形能力，降低延性，改善受力性能。故本項目擬考慮采用斜柱轉換。轉換層（五層）板厚150mm，梁板混凝土等級選用C40。轉換層結構平面布置如圖2 所示，轉換層斜柱布置節(jié)點構造如圖3 所示。

圖2 轉換層平面布置

圖3 轉換層斜柱布置節(jié)點構造

對斜柱轉換構件進行承載力分析，以圖2 中框出一跨為例，各工況組合中斜柱底端軸力如表4 所示，另外與考慮轉換層及上下兩層樓板為零板厚時斜柱及拉梁的內力情況進行對比。對比發(fā)現，考慮樓板作用時軸力較大。另外，不同工況，恒載作用下斜柱軸力較大。

表4 斜柱底端軸力

現選取恒載作用下與斜柱相交拉梁軸力及與斜柱相連的剪力墻的X 向剪力，如表5 所示。可知兩者之和與總體坐標下斜柱產生的X 向分力基本可以平衡。

表5 拉梁軸力及剪力墻X 向剪力

另外，對轉換層樓板進行應力分析。在恒載作用下轉換層，大部分區(qū)域樓板正應力小于混凝土抗拉強度標準值ftk（C40 混凝土為2.39N/mm2），局部如剪力墻邊、框支柱邊存在應力集中的情況，但范圍很小。因此可認為在恒載作用下，樓板面內不會產生貫通性的裂縫，能有效傳遞水平力。后續(xù)轉換層采用加強措施，轉換層鋼筋雙層雙向拉通，配筋率不小于0.30%，另外對應力集中的部位，根據應力情況對該區(qū)域配筋進一步加強。

針對框支轉換層的抗震性思考，需要根據應力需求加大局部位置的鋼筋和箍筋，保證每層框支柱所承受的地震剪力結構按照承載力要求調整，對于“細腰”組合平面采用抗震加強措施，在平面凹口處設置拉梁，對應樓板設置暗梁，形成加強帶保證結構整體穩(wěn)定性。

5 轉換層結構設計注意問題

5.1 結合建筑實際

在設計轉換層時應保證與建筑環(huán)境相適應，包括地質條件、建筑層高、整體結構、材料等各項因素。在轉換層結構選型方面應當與建筑外觀相結合，滿足整體視覺需求。務必服從建筑功能性，在施工中一般會將設備層兼做轉換層，要求具備足夠空間保證設備出入，若洞口尺寸在開孔梁允許范圍外，可應用其他結構代替梁式轉換，如斜柱轉換層、空腹桁架等。在工程設計中受到部分建筑外觀要求或使用要求的影響，在設計中強調柱網上疏下密，會出現一定承載差異，造成壓縮位移差，并在建筑結構中下部結構中產生明顯次應力。針對這類情況，需根據建筑功能性選擇合適轉換層結構。

5.2 合理選擇剛度

出于對轉換層設計安全性、穩(wěn)定性的考慮，需要重點關注轉換層結構剛度，是否在合理值范圍內。若剛度過大，一旦出現地震反應或豎向剛度突然增加情況，會直接影響轉換層上下的受力狀態(tài)，不利于結構穩(wěn)定。此外，剛度過大還會增大材料用量，增加經濟成本。若轉換層剛度過小，則會導致上部框支部分豎向構件與結構中的其他豎向構件出現沉降差，從而產生明顯次應力，導致配筋增加。

此外，針對轉換層來說，設計較為復雜的部分在下部主體結構中，不可避免地存在豎向剛度突變。為保證下層結構總剪切剛度符合建筑結構需求，應加強抗震設計，根據建筑實際情況適當加大下層結構豎向構件截面尺寸，或提高混凝土強度等級。例如斜柱轉換層具有較強的水平荷載，能夠發(fā)揮混凝土受壓性能，適合應用在高層建筑中。在設計時可根據建筑平面情況布設拉梁或圈梁，確保縮短路徑提升平衡性，降低上下層水平力[5]。

5.3 明確設計原則優(yōu)化結構

布置轉換層時應保證框架核心筒結構中上下貫通，根據建筑需求滿足上下主體總剪切剛度比值，盡可能減少豎向構件。選擇傳力路徑明顯的轉換層形式，便于分析構件設計安全性和規(guī)范性。合理運用計算機模型展示建筑結構的三維空間，對結構布局進行補充計算，充分思考抗震性需求，強化下部結構，避免存在較大沉降差。

6 結語

將建筑風格與實際結構相融合，并保證抗壓性、穩(wěn)定性等需求，是每個建筑設計者需要思考的問題。綜合來看，本次研究結合實際工程案例思考高層建筑結構選型及斜柱轉換梁結構的設計，突出抗震性方面的研究，在設計中充分利用概念設計方法，從分析和研究結構整體性能入手，對結構進行計算分析。在提升斜柱建筑結構設計水平時需要進一步完善結構設計，明確設計原理，利用相關軟件、硬件工具滿足預期效果，為城市化進程的推進做出貢獻。