帶轉換層的高層建筑結構設計與分析概述

帶轉換層的高層建筑結構設計與分析概述

摘要：轉換層結構的高層建筑受力復雜,結合某高層建筑商住樓工程實例，扼要介紹高層建筑轉換層結構設計要點、構造情況及轉換層的設計方法。詳細闡述了高層建筑結構轉換層的多種型式，結構傳力機理、結構設計特點和計算方法，并對設計細節(jié)進行了優(yōu)化，對計算結果具體數(shù)據(jù)進行了分析和評價。關鍵詞：高層建筑；梁式轉換層；結構設計；剪壓比

DesignandAnalysisofHigh-riseBuildingwithTransferFloor

Structure

NanjingGaoKeConstructionanddevelopmentCo.,LtdYanShuai

Abstract:Thehigh-risebuildingwithtransferfloorstructurehadcomplexforces,thepaperiscombinedwithahigh-risecommercialandresidentialconstructionexample,briefhigh-risebuildingwithtransferfloorstructure,constructionanddesignmethodofthetransferfloorstructure.Describedindetailthestructureofhigh-risebuildingswithtransferfloorstructureofavarietyoftype,thestructureoftransmissionmechanism,structureandcalculationofdesignfeatures,designdetailsandoptimizedresultsforspecificdataanalysisandevaluation.

Keywords:high-risebuilding;beamtransferfloor;structuredesign;shearcompressionratio1概述

現(xiàn)代高層建筑正向體型復雜、功能多樣、造型新穎的方向發(fā)展。例如,在同一座建筑中,沿房屋高度方向建筑功能常要發(fā)生變化,上部樓層布置旅館、住宅;中部樓層用作辦公用房;下部樓層布置商店、餐館和文化娛樂設施,這種不同用途的樓層需要采用不同形式的結構。從建筑功能上看,上部需要小開間的軸線布置并需要較多的墻體以滿足旅館和住宅的功能要求;中部則需要較小的或中等大小的室內空間,可以在柱網(wǎng)中布置一定數(shù)量的墻體以滿足辦公用房的功能要求;下部需要盡可能大的自由靈活的室內空間,要求柱網(wǎng)大,墻體盡量少,以滿足商店、餐館等公用設施的功能要求。上述要求與結構的合理布置正好相反。

由于高層建筑結構下部樓層受力很大,上部樓層受力較小,正常的結構布置應是下部剛度大、墻體多、柱網(wǎng)密,而到上部則逐漸減少墻體及柱的布置,以擴大柱網(wǎng)。這樣,結構的正常布置與建筑功能對空間的要求正好相反。因此,為了適應建筑功能的變化,就必須在結構轉換的樓層設置水平轉換構件,即轉換層結構。2結構轉換層常見類型及受力機理分析

轉換層根據(jù)建筑功能的需要，可作為正常使用的樓層，但應有較大的層高作為保證；在層高受限制或設備專業(yè)需要時，也可以作為設備層，在結構型式上，轉換層在設計常分為以下幾種類型：

（1）梁式轉換層，即將上部剪力墻在框支梁上，再由框支柱來支撐框支梁的結構受力體系。當需要縱橫向同時轉換時，則采用雙向梁布置。其優(yōu)點為傳力

直接、明確,傳力途徑清楚,受力性能好,構造簡單,施工較方便,設計計算較容易，是目前應用最廣的轉換層結構型式。一般運用于底部大空間的框支剪力墻結構體系。

（2）箱式轉換層，當轉換梁截面過大時，設一層樓板已不能滿足平面內樓板剛度無限大的假定。為了使理論假定和與實際相符，可在轉換梁梁頂和梁底同時設一層樓板，形成一個箱形梁，箱形梁的這種轉換結構，一般宜遍布全層設置，且沿建筑周邊環(huán)通構成“箱子”，即稱箱式轉換層。箱式轉換層的重要優(yōu)點在于，轉換梁的約束強，剛度大，整體受力效果好，上下部傳力較為均勻，還可將其利用作為設備層，其缺點是施工復雜，造價較高。

此外，轉換層還有厚板式轉換層、桁架式轉換層等。但大都因受力復雜且施工難度大、經濟效益不高而實際應用相對少。

（3）梁式轉換層的受力機理分析：梁式轉換層結構的傳力途徑為墻-梁-柱（墻）的形式，傳力直接，便于分析計算。轉換大梁的受力主要受上部剪力墻剛度、剪力墻與轉換大梁的相對剛度和轉換大梁與下部支撐結構的相對剛度影響。為弄清轉換梁結構與上部墻體共同工作的性能，多數(shù)文獻中已對轉換梁承托層數(shù)對其內力的影響進行用有限元程序進行了分析，從分析結果中我們知道，對一般結構轉換大梁（跨度小于12m），上部墻體考慮3層與考慮4層、5層內力的設計控制內力差異不大于5%，故在分析計算時可只考慮計算3層。從計算分析不論轉換大梁上部墻體的形式如何，只要墻體有一定長度，轉換大梁中的彎矩就會比不考慮上部墻體作用要小，同時轉換大梁也會有一段范圍出現(xiàn)受拉區(qū)。主要原因：一是由于轉換大梁處于結構整體彎曲的受拉區(qū)，應力積分后在轉換大梁中就會出現(xiàn)軸向拉力，二是由于上部墻體豎向力作用于轉換大梁時形成了拱的傳力方式，這樣豎向力轉變成斜向力作用于轉換大梁，從而在轉換大梁跨中出現(xiàn)拉力，支座出現(xiàn)軸向壓力的情況。受力示意圖見下圖。

3轉換層在高層建筑中的布置及設計原則

3.1轉換層在高層建筑中的布置原則

轉換結構可以根據(jù)其建筑功能和結構傳力的需要,沿高層建筑高度方向一處或多處靈活布置(或是樓層局部布置轉換層),且自身的這個空間既可以作為正常使用樓層,也可以作為技術設備層,但應該保證轉換層有足夠的剛度,以防止沿豎向剛度過于懸殊。當建筑物較高柔(如框架-核心筒結構),整體剛度可能不足,在結構豎向的一定部位設置水平剛性樓層(加強層),人為地加強結構的整體彎曲效應,這時轉換層可同建筑物的加強層、設備層等統(tǒng)一考慮。對大底層上部為多塔的建筑,塔樓的轉換層宜設置在裙樓的屋面層,并加大屋面梁、板尺寸和厚度,以避免中間出現(xiàn)剛度特別小的樓層,減小震害。對部分框支剪力墻高層建筑結構,其轉換層的位置,7度區(qū)不宜超過第5層;8度區(qū)不宜超過第三層。轉換層位置超過上述規(guī)

定時,應作專門研究并采取有效措施。沿高層建筑方向轉換結構可以是分段布置,形成大框架套小框架的巨型框架結構;也可以是間隔布置,形成錯列墻梁或是桁架式框架結構;也可設置于建筑物頂部,懸掛下部結構的荷載。3.2帶轉換層的高層建筑結構設計原則

高層建筑中轉換層的設置造成建筑物豎向剛度的突變，地震作用時在轉換層上下容易形成薄弱環(huán)節(jié)，對結構抗震不利，故轉換層結構在設計時應遵循以下原則：

（1）為防止沿豎向剛度變化過于懸殊形成薄弱層，設計中應考慮使上、下層剛度比γ≤2，盡量接近1。這樣才能保證結構豎向剛度的變化不至于太大，使上柱有良好的抗側力性能，減少豎向剛度變化，有利于結構整體受力。

（2）盡可能減少需結構轉換的豎向構件，直接落地的豎向構件越多，轉換結構越少，轉換層造成的剛度突變就越小，對結構抗震更有利。

（3）設計中應保證轉換層有足夠的剛度，一般應使梁高度不小于跨度的1/6，才能保證內力在轉換層及其下部構件中分配合理，轉換梁、剪力墻柱有良好的受力性能，能較好的起到結構轉換作用。

（4）必須控制框支剪力墻與落地剪力墻的比例，當剪力墻較多且考慮抗震時，橫向落地剪力墻數(shù)目與橫向墻總數(shù)之比不宜少于50%，非抗震時不宜少于30%。

（5）轉換層以上的剪力墻和柱子應盡量對稱布置，梁上立柱應盡量設在轉換梁跨中，以免轉換梁變形時，在梁上立柱的柱腳處產生較大轉角，帶動立柱柱腳產生較大變形，引起柱的彎曲及剪切，使立柱產生很大的內力而超筋。

（6）轉換層結構在高層建筑豎向的位置宜低不宜高。轉換層位置較高時，易使框支剪力墻結構在轉換層附近的剛度、內力和傳力途徑發(fā)生突變，并易形成薄弱層，對抗震設計不利，其抗震設計概念與底層框支剪力墻結構有較大差異。當必須采用高位轉換時，應控制轉換層下部框支結構的等效剛度，即考慮彎曲、剪切和軸向變形的綜合剛度，這對于減少轉換層附近的層間位移角及內力突變是十分必要的，效果也很顯著。另外，對落地剪力墻間距的限制應比底層框支剪力墻結構更嚴一些。對平面為長矩形的建筑，落地剪力墻的數(shù)目應多于全部橫向剪力墻數(shù)目的一半。

（7）為保證下部大空間整體結構有適宜的剛度、強度、延性和抗震能力，應盡量強化轉換層下部主體結構剛度，弱化轉換層上部主體結構剛度，使轉換層上下部主體結構的剛度及變形特征盡量接近。常常采用加大轉換層下部主體結構豎向構件（主要是核心筒體）截面尺寸、提高其混凝土強度等級、增設剪力墻等方法來強化下部主體結構的剛度。這里有兩個問題值得注意，一是筒體截面尺寸增大導致結構地震總反應增大以及筒體在整個下部結構抗側總剛度中所占的比重變得更大，筒體所承受的地震荷載呈現(xiàn)級數(shù)增大的趨勢，此時作為抗震第一道防線的筒體的安全設計更應得到充分重視；二是在增設剪力墻來提高抗側剛度時，要注意整體剛度的均勻分布，保證剛度中心與質量中心盡可能重合，避免由于兩者偏心引起的建筑物整體扭轉。

（8）帶轉換層結構計算要求全面、準確。將轉換結構作為整體結構的一個重要組成部分，采用符合實際受力變形狀態(tài)的計算模型進行三維空間整體結構計算分析，可采用有限元方法對轉換結構進行局部補充計算。此時，轉換結構以上至少要取兩層結構進入局部計算模型，并注意模型邊界條件符合實際工作狀態(tài)。整體結構計算需采取兩個以上不同力學模型的程序進行抗震計算，還應進行彈性

時程分析計算并宜采用彈塑性時程分析校核。高位轉換時還應注意對整體結構進行重力荷載下施工模擬計算。8度抗震設防時，轉換構件應考慮其上豎向荷載代表值的10%作為附加豎向地震作用力，此附加豎向地震作用應考慮上下兩個方向。

4帶轉換層高層建筑結構抗震性能

不管采用何種轉換形式，帶轉換層的剪力墻結構仍是目前工程應用的主要結構形式。同時，由于轉換層位置越來越高，帶轉換層的筒體結構也時有應用。對帶轉換層的剪力墻結構及帶轉換層筒體結構這兩類轉換結構，通過轉換層上下層間位移角及內力變化情況的分析，可得出影響其抗震性能的主要因素，分別是：轉換層設置高度、轉換層上部與下部結構等效剛度比、轉換層結構與其上層結構側向剛度比。

對帶轉換層筒體結構其主要影響因素表現(xiàn)為轉換層上部外筒的剛度、轉換層設置高度和內筒剛度對轉換層位置較高的帶轉換層的剪力墻結構僅僅控制轉換層上、下樓層的側向剛度比是不夠的，還應控制轉換層上部與下部結構等效剛度比，轉換層上部與下部結構的等效剛度比越大，轉換層上下層間位移角及內力突變情況越明顯，設計時應當加以控制，使其盡量接近于1，且不大于1.3。帶轉換層的筒體結構，如轉換層上部的外筒為框架，一般情況下不會發(fā)生剛度突變，但建立傳力途徑的變化仍然存在。這類結構的轉換層設置高度可適當提高，等效剛度比一般都滿足限制條件，但轉換層本層側向剛度與相鄰上層側向剛度之比值，有時會不滿足限制條件。對這類結構的關鍵部位仍須采取加強措施。5高層建筑結構轉換層設計時應注意的問題

（1）保證大空間層有足夠的剛度，防止沿豎向剛度變化過于懸殊，嚴格控制轉換層上下結構側向剛度比。抗震設計時，轉換層結構側向剛度不小于其上一層結構側向剛度的70%。根據(jù)《高規(guī)》附錄E控制轉換層上下結構等效側向剛度比宜大于1.0，不應大于1.3。為此應保證一定比例的剪力墻落地，加大落地剪力墻的厚度，提高落地剪力墻混凝土強度等級，減小洞口尺寸，使縱橫墻盡量連接形成筒體。

（2）加強轉換層樓板平面內的整體性和剛度，采用現(xiàn)澆混凝土樓板，板厚取為200mm，同時加強轉換層下一層樓板平面內剛度，板厚取為150mm；結構布置盡量左右對稱，加強薄弱部位樓板的厚度及配筋；在結構整體分析中，考慮薄弱部位樓板平面內變形對結構受力的影響；通過調整剪彩力墻的布置方式，使結構質心和剛心接近，避免扭轉；平面盡量布置規(guī)則。

（3）控制風荷載和地震作用下結構層間位移角，地震作用要滿足規(guī)范對地震基底剪力與重力荷載代表值限制；控制結構底部加強區(qū)剪力墻及其他部分剪力墻、框支柱及非框支柱軸壓比。

（4）適當加強框支剪力墻轉換層以下豎向構件的配筋率。按《高規(guī)》驗算結構抗覆和整體穩(wěn)定；采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板，增強結構整體性；核心筒內部樓板厚采用150ram，雙層雙向配筋；圍護材料選用新型輕質材料，有利于減輕建筑自重，減小地震反應。6新型轉換層結構6.1搭接柱轉換結構

搭接柱轉換結構是一種新穎的轉換結構體系。6.1.1設計原則

轉換柱作為轉換構件，混凝土用料較少造價低、自重小，轉換層本層建筑空間可充分利用，上下層沿豎向剛度突變較小。以利用搭接柱實現(xiàn)沿建筑立面的外擴為例，搭接柱可將上層柱受力傳遞到下層柱，。但需注意的是搭接柱上方樓蓋承受過分大的拉力，易成為薄弱部位，搭接柱轉層上部一兩層樓蓋仍可能受到影響，承受拉力；轉換層下方樓蓋主要承受壓力。其承載能力相對較高。標準層外筒框架軸力向下傳遞使搭接柱本身受力復雜，所受壓力、剪立、彎矩都較大。6.1.2搭接柱轉換結構的工作原理

搭接柱轉換結構在重力荷載作用下的安全度和可靠度，主要取決于搭接塊相連樓蓋梁板的承載能力和軸向剛度的控制。樓蓋梁板的承載能力和軸向剛度得到控制和滿足，重力荷載作用下，次內力（柱、梁、板、墻的彎矩、剪力）及搭接柱變形就能受到控制，整個搭接柱轉換結構就能正常工作。搭接塊相連樓蓋梁板承載能力和軸向剛度控制是搭接柱轉換結構重力荷載作用下正常工作的關鍵技術。

6.1.3貫通落地筒體-框架結構工作特性

搭接柱轉換基本保證了框架柱直接落地整體結構的振動特性及地震作用下的工作狀態(tài)與貫通落地筒體-框架結構無異�？蚣苤�搭接轉換本質是弱化了框架抗側作用，更進一步強化了核心筒體的抗側作用。因此核心筒體為整體結構最主要的抗側力構件，其承載力、延性和截面尺寸應予以保證，當筒體自下而上變化混凝土強度等級、截面尺寸及配時，美籍變化均因延伸至搭接柱區(qū)段上一層，且需逐漸變化減弱搭接柱轉換引起局部剛度退化應力集中的影響，保證整體機構抗震承載能力不致突變。

6.1.4搭接柱轉換結構計算分析

為了了解搭接柱轉換結構在總理荷載、地震荷載組合效應下的工作狀況，整體桿系、局部有限元分析十分必要，主要的軟件可用SATWE、PMSAP等等。6.2其他新型轉換結構

6.2.1斜撐轉換結構的優(yōu)越性

重力荷載作用下傳力路徑明確，以構件受壓受拉代替構件受彎受剪來承受重力荷載，受力方式非常合理；斜撐轉換的轉換層與上下層的剛度比變化幅度很小，因此在水平地震力作用下，可以避免結構層間剪力和構件內力發(fā)生突變，有利于結構抗震。

6.2.2寬扁梁轉換結構的優(yōu)越性

寬扁梁轉換層有利于降低轉換層高度和方便建筑設備使用，與建筑功能的結合較普通轉換梁有著巨大的優(yōu)勢，同時，研究分析表明，寬扁梁轉換梁用于柱支剪力墻轉換、托柱轉換在高位、高烈度區(qū)抗震性能比普通轉換梁有著較大的優(yōu)勢，它有利于減緩高位轉換剛度突變帶來的轉換層框支柱剪力、軸力突變增大及框支柱頂彎矩突變增大引起的應力集中，改善結構的抗震性能。根據(jù)高層綜合樓建筑功能的需要，選擇適宜的結構轉換層，不但可以節(jié)省材料用量，而且也可以節(jié)省建造費用。同時靈活的將建筑與結構統(tǒng)一，實現(xiàn)建筑之美。7結論

（1）在現(xiàn)代高層建筑的轉換層結構中，因其應用功能的多樣化而使建筑物結構傳力體系復雜化，在結構設計時應按規(guī)范要求并根據(jù)現(xiàn)場條件做好分析計算

和優(yōu)化設計，盡可能將影響建筑物使用功能的諸多因素考慮進去，以達到科學經濟的設計目的。

（2）轉換層結構的高層建筑受力復雜，在嚴格控制層等效剪彎剛度比及層側向剛度比的前提下，采取有效的結構構造措施，在地震區(qū)，采用轉換層結構是解決復雜平面及體型轉換的一種行之有效的方法。

（3）轉換層結構的高層建筑在進行整體計算后，應嚴格按照規(guī)范進行構造設計。

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擴展閱讀：簡述轉換層高層結構設計

簡述轉換層高層結構設計

摘要：以帶轉換層結構的實際工程為例,分析了高層建筑帶轉換層結構設計中應該注意的問題,探討了結構轉換層的方案選擇、結構布置、結構分析與構造處理。

關鍵詞：高層建筑結構轉換層框支剪力墻梁式轉換層1前言

隨著我國經濟的持續(xù)快速發(fā)展，高層建筑一般上部需要較多的墻體來分隔空間以滿足住宅戶型的需要；而下部則希望有較大的自由靈活空間，大柱網(wǎng)、少墻體，以滿足公共使用要求。這樣的建筑上部樓層部分豎向構件(剪力墻、框架柱)不能直接連續(xù)貫通落地時，為了滿足建筑要求就必須在上下不同結構體系轉換的樓層設置轉換層，在結構轉換層布置轉換結構構件。轉換層結構形式有以下幾種：梁式轉換層、板式轉換層、箱式轉換層、桁架式轉換層、空腹桁架式轉換層等。2工程概況

某住宅小區(qū)工程，總建筑面積123792m2，本文涉及本工程3號樓主體結構地上10層，建筑面積4500m2，地下1層，-1層為設備用房，1層，2層為商業(yè)網(wǎng)點，3層以上為住宅，建筑高度為32.35m，本工程2層轉換，采用梁式轉換。工程設防烈度為7度，0.10g，場地類別為類，設計地震分組為第一組。框支部分的抗震等級為二級，基本風壓值為0．40kn/m2，地面粗糙度為b類。本工程梁板柱混凝土等級為c30，采用pkpm的satwe進行結構整體計算。

3結構布置

帶轉換層高層建筑結構由于上、下層豎向構件不連續(xù)，結構豎向剛度發(fā)生變化，轉換層上下樓層構件內力、位移容易發(fā)生突變，對抗震不利，形成薄弱層、軟弱層(《建筑抗震設計規(guī)范》第3.4.2條，以下簡稱《抗規(guī)》)。故采用轉換層結構設計時應遵循以下原則：

盡可能減少需結構轉換的豎向構件，直接落地的豎向構件越多，轉換結構越少，轉換層造成的剛度突變就越小，對結構抗震更有利。故在本工程中，樓梯間、電梯間等d軸線北側及南側橫墻剪力墻直接落地，并且墻厚加大為300mm(轉換層以上墻厚為200mm)，轉換層板厚取180mm，為地下室頂嵌固端，d軸線南側框支柱的截面尺寸為600x600，因建筑需要增加商業(yè)網(wǎng)點，南側又新增一跨框架，如圖1所示。轉換梁的跨度為6.9m，截面尺寸取550x1300，計算振型個數(shù)為24個。

轉換層結構在高層建筑豎向的位置宜低不宜高，根據(jù)《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》(以下簡稱《高規(guī)》)規(guī)定，底部大空間部分框支剪力墻高層建筑結構在地面以上的大空間層數(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)可以適當增加，本工程轉換層位置位于2層頂，在規(guī)范允許范圍內。4計算結果4.1剛度比

根據(jù)《高規(guī)》第5.1.14條規(guī)定，經計算,x,y方向本層塔側移剛度

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