摘要：本文以實(shí)際工程為例，分析了帶局部轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方法及局部構(gòu)件設(shè)計、整體結(jié)構(gòu)設(shè)計。為同行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計者提供參考、借鑒。
　　關(guān)鍵詞：高層建筑；帶局部轉(zhuǎn)換層；結(jié)構(gòu)設(shè)計
　　1引言
　　隨著高層建筑在工程實(shí)踐中的廣泛應(yīng)用，建筑物的功能愈來愈復(fù)雜，同時由于建筑場地本身形狀的制約和建筑的要求，在工程中為了滿足建筑藝術(shù)造型及其不同使用功能的需求，現(xiàn)代多功能高層建筑常常設(shè)置轉(zhuǎn)換層，沿豎向劃分為不同區(qū)段，例如底部墻少柱多，用于商業(yè)、大空間廳堂、交通通道；上部墻多柱少，用于酒店客房、住宅等。現(xiàn)在轉(zhuǎn)換層的位置也在逐步提高，但規(guī)范規(guī)定框支剪力墻高層建筑轉(zhuǎn)換層在地面以上層數(shù):8度時不宜超過3層,7度時不宜超過5層,6度時其層數(shù)可適當(dāng)增加；底部帶轉(zhuǎn)換層的框架-核心筒結(jié)構(gòu)可適當(dāng)增加。帶轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是豎向構(gòu)件不連續(xù)，通過轉(zhuǎn)換構(gòu)件實(shí)現(xiàn)上下構(gòu)件的過度，豎向剛度、內(nèi)力在轉(zhuǎn)換處突變，并易形成薄弱層，轉(zhuǎn)換層位置較高時，轉(zhuǎn)換層下部落地剪力墻及框支結(jié)構(gòu)易開裂和屈服，轉(zhuǎn)換層上部幾層墻體易于破壞，從而不利于抗震。《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2002）（以下簡稱《高規(guī)》）對此類結(jié)構(gòu)設(shè)計作了專門規(guī)定。
　　2工程實(shí)例
　　市某大廈體系類型采用部份框支剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑面積21519.87m2，總建筑層數(shù)30層，標(biāo)準(zhǔn)層層高2.95m,轉(zhuǎn)換層層高5.2m。裙房4層，地下2層，地上28層。由于建筑造型和功能上的要求，建筑1至4層的一端設(shè)置大廳，需在第4層頂面位置設(shè)置局部轉(zhuǎn)換構(gòu)件（標(biāo)準(zhǔn)層平面布置圖見圖1），轉(zhuǎn)換層以上為剪力墻結(jié)構(gòu)，以下為框架－剪力墻結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換形式選為梁式。
　　             
　　                                                    圖1標(biāo)準(zhǔn)層平面布置圖
　　本工程屬丙類建筑，設(shè)計基準(zhǔn)期50年，地震設(shè)防烈度6度，地震分組為第Ⅰ組，地震加速度0.05g，場地類型II類，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.0，特征周期0.35S，基本風(fēng)壓值取100年重現(xiàn)期的風(fēng)壓值采用,取0.35kN/m2，地面粗糙度類別為B類，建筑高度級別A級。
　　3局部構(gòu)件設(shè)計
　　3.1框支柱
　　為貫徹強(qiáng)柱弱梁的原則，必須保證框支柱具有足夠的安全度和延性，本工程框支柱設(shè)計除按照規(guī)范要求設(shè)計外，還采取了以下措施：
　　1）軸壓比控制在0.65以內(nèi)；
　　2）兼作剪力墻端柱的框支柱，保證其滿足規(guī)范關(guān)于約束邊緣構(gòu)件的設(shè)計要求；
　　3）計算程序考慮轉(zhuǎn)換層樓板平面內(nèi)剛度；
　　4）與建筑專業(yè)及業(yè)主協(xié)商，邊緣框支柱在轉(zhuǎn)換層處向上延伸一層。該措施顯著減小了邊緣框支柱在轉(zhuǎn)換大梁處的彎矩和剪力，其原因見圖2，原本由轉(zhuǎn)換梁下單根邊緣框支柱分配內(nèi)力（MB=MC），柱向上延伸一層后，改變?yōu)橛缮舷聝筛�邊緣框支柱共同分配，上面框支柱為暗柱（MB=MC1+MC2），由此MC1<MC，從而使邊緣框支柱頂端截面內(nèi)力顯著減小。
　　     
　                        　圖2框支柱向上延伸一層后內(nèi)力分配變化圖
　　3.2框支梁
　　該工程中，根據(jù)建筑設(shè)計要求確定上部剪力墻的布置，對轉(zhuǎn)換梁的構(gòu)件尺寸進(jìn)行試算調(diào)整，框支梁斷面按構(gòu)造要求可確定為梁寬不小于2倍的上部墻厚和400mm，梁高為1/6倍的框支梁跨度，V≤1/0.85(0.15
　　βCｆCｂh0，最終框支梁截面尺寸最大為950mm×2000mm。由于框支梁截面尺寸大，其內(nèi)力傳遞和分布也非常復(fù)雜,本工程對框支梁利用ANSYS軟件進(jìn)行有限元二次分析，研究其內(nèi)力分布狀態(tài)。模型包括轉(zhuǎn)換梁以上三層墻體。荷載由整體計算結(jié)果查得，豎向荷載作用下其內(nèi)力傳遞情況如圖所示
　　         
　　                     圖3框支梁上豎載傳遞
　　分析結(jié)果表明，轉(zhuǎn)換梁頂端沿跨長壓應(yīng)力分布極不均勻，其梁端應(yīng)力水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于跨中，轉(zhuǎn)換梁頂端應(yīng)力集中現(xiàn)象十分嚴(yán)峻。梁內(nèi)應(yīng)力傳遞形成“斜壓拱”，且跨中截面梁底拉應(yīng)力較大，頂端雖受壓，但數(shù)值很小，約為低端拉應(yīng)力水平的1/20，屬于典型的大偏心受拉構(gòu)件，橫斷面剪應(yīng)力水平也相當(dāng)大。本工程利用ANSYS程序分析了豎向荷載作用下轉(zhuǎn)換梁的受力狀態(tài)，考慮到豎橫向荷載共同作用，其配筋仍采用SATWE和PMSAP的整體計算結(jié)果，并且配筋除滿足計算結(jié)果外還嚴(yán)格滿足高規(guī)第十章框支梁的配筋要求。在施工圖中作特別說明，縱向主筋上下配足，腰筋在梁底部布置多一些，使轉(zhuǎn)換梁形成“拉桿拱”式受力機(jī)制。同時注意強(qiáng)剪弱彎的原則，箍筋配置充足，全長加密，以防止剪切破壞。
　　4整體結(jié)構(gòu)設(shè)計
　　4.1抗震等級確定
　　本工程轉(zhuǎn)換層以上為剪力墻結(jié)構(gòu)，以下為框架－剪力墻結(jié)構(gòu)，是多種結(jié)構(gòu)形式并存的復(fù)雜高層建筑，不能像單純的框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)或框架－剪力墻結(jié)構(gòu)那樣統(tǒng)一確定抗震等級，而應(yīng)根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范不同章節(jié)的規(guī)定，并考慮該工程自身的特點(diǎn)，有針對性地分別確定不同部位不同構(gòu)件的抗震等級。建筑高度97.35m，6度設(shè)防，根據(jù)《高規(guī)》框支框架抗震等級應(yīng)為二級，剪力墻底部加強(qiáng)部位為二級。由于轉(zhuǎn)換層位于第四層,屬高位轉(zhuǎn)換，據(jù)《高規(guī)》10.2.5條轉(zhuǎn)換層及以下層的框架梁抗震等級確定為二級，剪力墻及框支柱抗震等級為一級，轉(zhuǎn)換層以上加強(qiáng)部位剪力墻為一級，非加強(qiáng)部位剪力墻為三級。
　　4.2豎向結(jié)構(gòu)設(shè)計
　　為保證轉(zhuǎn)換層上下主體結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度盡量接近、平滑過渡，須把握強(qiáng)化下部、弱化上部的原則。本工程采取的主要措施有：
　　1）轉(zhuǎn)換層樓板加厚至180mm，轉(zhuǎn)換層上下層各加厚至150mm,以增強(qiáng)樓板剛度；
　　2）使盡可能多的上部剪力墻尤其是邊緣剪力墻落地；
　　3）底部剪力墻增大厚度取為400mm（上部墻體厚度為200mm），并盡量減少開洞；
　　4）底部剪力墻、柱的混凝土強(qiáng)度等級提高為C60（上部混凝土強(qiáng)度等級分段為C50到C30）；
　　5）由于局部轉(zhuǎn)換部位靠近該建筑一端，將該端設(shè)置為筒體予以加強(qiáng)。采用上述幾種方法，利用SATWE和PMSAP計算程序分別進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)分析后，程序均未發(fā)現(xiàn)薄弱層，且轉(zhuǎn)換層上部與下部結(jié)構(gòu)的等效剛度比的SATWE計算結(jié)果為：X方向?yàn)?.8960，Y方向?yàn)?.7621。滿足《高規(guī)》附錄E的要求，說明結(jié)構(gòu)豎向剛度過渡平穩(wěn)，豎向結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。
　　4.3平面結(jié)構(gòu)設(shè)計
　　該工程總體平面體型簡單，基本規(guī)則、對稱，長寬比接近2.0。為了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗扭性能，除核心筒體外，剪力墻在平面內(nèi)分散、對稱且盡量沿周邊布置。整體計算后，各層最大水平位移與層間位移比值均小于1.4，以扭轉(zhuǎn)為主的第一自震周期與平動為主的第一自震周期之比為：1.8643/2.7353=0.682（SATWE），1.6695/2.4665=0.677(PMSAP)，滿足《高規(guī)》4.3.5的要求。
　　5結(jié)論
　　1）帶局部轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，必須首先從整體上做好概念設(shè)計。根據(jù)結(jié)構(gòu)具體情況，不同部位的不同構(gòu)件應(yīng)按照規(guī)范不同章節(jié)確定其抗震等級。整體設(shè)計階段最好選用兩個結(jié)構(gòu)計算軟件進(jìn)行比較分析，建立可靠的計算模型，分析、評判結(jié)構(gòu)總體受力特點(diǎn)，修改、優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)布置。
　　2）轉(zhuǎn)換部位不僅包括豎向荷載轉(zhuǎn)換和水平荷載轉(zhuǎn)換，二者又分別包括荷載的平面內(nèi)轉(zhuǎn)換和X、Y方向的多維轉(zhuǎn)換。該部位構(gòu)件與其他常規(guī)構(gòu)件相比，尺寸龐大，應(yīng)力集中且分布復(fù)雜，在整體計算控制的前提下應(yīng)進(jìn)行必要的局部應(yīng)力分析。
　　3）框支柱頂端內(nèi)力一般較大，有時難以滿足規(guī)范設(shè)計要求，此時可以采取加掖或向上延伸一層的方案處理。若建筑限制，則可采取：能伸到上部墻體的柱內(nèi)鋼筋，在柱頂不予截斷，盡量向上伸到墻內(nèi)1～2層，以形成暗柱，緩解框支柱頂彎矩和剪力。亦可采取芯柱或勁性骨架柱。
　　4）框支梁是上下層荷載傳遞樞紐，設(shè)計中應(yīng)嚴(yán)格滿足規(guī)范的相關(guān)規(guī)定。彈性有限元分析后發(fā)現(xiàn)，其受力類似深梁，內(nèi)部傳力機(jī)制接近斜壓拱，梁端頂部局部應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重。鋼筋布置應(yīng)盡量使腰筋在下部多些。箍筋起吊桿作用，應(yīng)全長加密。同時由于轉(zhuǎn)換層鋼筋用量較大且密,應(yīng)盡量選取大直徑鋼筋，并保證鋼筋間凈距滿足規(guī)范要求，以便保證混凝土澆筑質(zhì)量。
　　5）轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)屬豎向剛度不規(guī)則結(jié)構(gòu)，不僅是豎向剛度易在轉(zhuǎn)換層附近發(fā)生突變，還應(yīng)關(guān)注的是豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)，使結(jié)構(gòu)的傳力（包括豎向及水平力）途徑在轉(zhuǎn)換層及其附近發(fā)生突變，在強(qiáng)震作用下，易產(chǎn)生薄弱部位。在抗震設(shè)計中，除了控制轉(zhuǎn)換層上下剛度比外，還應(yīng)采取措施，加強(qiáng)轉(zhuǎn)換層及附近層結(jié)構(gòu)構(gòu)件包括框支柱、落地墻、轉(zhuǎn)換構(gòu)件、轉(zhuǎn)換層上下層樓板以及底部加強(qiáng)部位以及上一層結(jié)構(gòu)，以保證水平力的有效傳遞和結(jié)構(gòu)在地震作用下有足夠的延性。
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