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摘要：本文通过一例带转换层的多塔楼高层建筑的结构设计过程，对高层建筑转换层结构进行了简单介绍并阐述了几点设计体会。
关键词：结构设计；转换层；结构布置；分析
中图分类号：[TU355]文献标识码：A 文章编号：
Abstract: In this paper, through a case with conversion layers of multi-tower high-rise building structure design process, the transfer floor structure in high-rise building are briefly introduced and expounded some design experience.
Key Words: structural design; transition layer; structure layout analysis;
一、工程概况
本工程为广东珠海某栋高层商住楼，建筑面积为36738m2，建筑平面为较为规则的结构单元，但由于建筑设计的特點决定在结构抗震概念设计上无法完全符合规范要求的“规则”，故在设计时还要注意以下几点：
1、平面设计
在平面设计中，结构虽在上部住宅按单元设置抗震缝将其划分为相对规则的三个单元（塔），但在平面上仍然有出现扭转不规则、凹凸不规则和楼板局部不连续的情况，但避免了结构平面出现严重不规则的情况。对于出现不规则情况，均严格按照规范要求：平面不规则而竖向规则的建筑结构，应采用空间结构计算模型，并应符合下列要求：
①扭转不规则时，应计及扭转影响，且楼层竖向构件最大的弹性水平位移和层间位移分别不宜大于楼层两端弹性水平位移和层间位移平均值的1.5倍；
②凹凸不规则或楼板局部不连续时，应采用符合楼板平面内实际刚度变化的计算模型，当平面不对称时尚应计及扭转影响。
2、竖向设计
本工程由于是较为规则的商住楼，立面无较大凸出和凹进，基本未出现竖向不规则现象，满足体型要求。根据建筑方案的平面和剖面，本工程的平面布置和竖向布置均满足高层建筑的概念设计要求。
二、结构布置
本工程采用部分框支剪力墙结构，上部住宅部分三个塔采用框剪结构，底部三层和地下室建筑功能需要大空间，所以局部有转换，转换层设在第四层，按复杂高层结构进行设计。剪力墙抗震等级为三级，框架抗震等级为三级；转换层及底部加强部位落地剪力墙、框支柱的抗震等级按规范要求提高为一级。底层框架柱网及落地剪力墙的布置和内力计算是本工程设计的关键，为了保证下部大空间整体结构有适宜的刚度、强度、延性和抗震性能，应尽量弱化转换层上部主体结构刚度，强化转换层下部主体结构刚度，使转换层上、下部主体结构的刚度及变形特征尽量接近。在尽量满足建筑的使用功能的前提下，转换层上部的剪力墙力求直接落在主结构上，落地剪力墙的布置尽量采取对称、周边、楼梯间、电梯井筒布置的原则。对于各个“工”字形塔细腰部，采取了在外伸段凹槽处设置连接梁的加强构造措施。落地剪力墙截面尺寸的确定：除满足竖向承载力作用下轴压比限值外，依据高规第10.2.3 条和附录E.0.2 条的规定，通过计算转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比。
（1）γe（γe= （Δ1H2/Δ2H1）），以γe不大于1.3 为原则，调整下部落地剪力墙的厚度。本工程经按上述方法计算调整，下部落地剪力墙的厚度：纵向均为400，横向均为300。转换层上部与下部结构X方向的等效侧向刚度比γex＝1.09，Y方向的等效侧向刚度比γey＝1.22。
（2）转换层的结构布置：转换层的转换结构构件形式很多，有梁、桁架、空腹桁架、箱形结构、斜撑等，本工程下部柱网最大不超过6m，因此采用普通梁式转换即可。为了使转换层有足够的水平刚度与承载力，保证转换层可以将上部剪力可靠地传递到落地剪力墙上去，依据高规第10.2.20 条的规定，转换层楼板厚取180mm，与转换层相邻楼层第三、五层也适当加强，板厚取120mm。框支梁按受力的需要取700x1800～1500x2000。
（3）标准层结构布置：需要转换的剪力墙全部直接落在框支梁上，避免了二次转换。结构平面布置时尽量使刚心和质心重合，以避免或减小在风荷载或地震作用下产生的扭转效应及其相应的破坏，同时适当减少剪力墙的数量、长度，以削弱上部结构的刚度，减小转换层上、下部结构的刚度突变。为使结构的侧向刚度均匀变化，剪力墙沿竖向由300厚逐级收薄为200 厚，框架柱也大部分逐级收小为400x400。
（4）框架梁根据不同的跨度，以200x400～200x500 为主，梁跨高比控制在1/15 以内。边梁梁高为600～1000，既兼顾考虑凸窗的设置，也增强了结构的整体刚度，减少了结构的扭转效应。
（5）楼层的楼板均按框架（剪力墙） —梁—次梁—楼板的体系，根据楼板的计算跨度决定板厚，一般取100mm～120mm；考虑地下室顶部作为上部结构的嵌固部位，地下室顶板厚取180mm；屋面根据高规要求适当增加屋面和屋面板的刚度，板厚取120mm。
三、整体结构计算及结果分析
1、整体结构计算
本工程采用PKPM 系列软件中SATWE进行整体结构计算并进行了弹性时程分析，同时用不同力学模型的PMSAP 进行计算比较。为了使计算模型更加符合实际情况，将各层楼板定义为弹性楼板进行计算，以便使模型误差最小，并考虑扭转耦联、双向地震作用。根据高规的要求，高位框支转换结构属于复杂高层，因此在“结构体系”中选择“复杂高层结构”计算。
2、结果分析
根据计算结果，主要控制的指标如下：
（1）刚度比：主要为控制结构竖向规则性，以免竖向刚度突变，形成薄弱层，抗规第3.4.2 条要求，抗震设计的高层建筑结构，其楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的70％或其上相邻三层侧向刚度平均值的80％。否则为结构薄弱层，应按高规5.1.14 条规定对薄弱层对应于地震作用标准值的地震剪力应乘以1.15 的增大系数。本工程满足规范要求，未出现薄弱层。
（2）刚重比：主要为控制结构的稳定性，以免结构产生滑移和倾覆。本工程X向刚重比EJd/GH**2=5.37，Y向刚重比EJd/GH**2=5.24，本工程刚重比大于2.7，能够通过高规第5.4.4 条的整体稳定验算，可以不考虑重力二阶效应的不利影响。
（3）高位转换时转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比：楼层刚度采用剪弯刚度算法，计算出X方向刚度比为1.0923，Y方向刚度比为1.2175，满足高规第E.0.2 条的要求。
（4）周期比：主要为控制结构扭转效应，减小扭转对结构产生的不利影响，应满足高规第4.3.5 条的规定，结构扭转为主的第一周期Tt 与平动为主的第一周期T1 之比，A级高度高层不应大于0.9；B级高度、混合结构、复杂结构高层均不应大于0.85。平动系数大于0.5 为平动为主，反之为扭转为主；以周期最长的为第一周期。若以扭转为主的振型排得很前，即其T大于或接近以平动为主的T，其抗扭性能差，有必要调整其结构布置。本工程的周期比（如下表一），计算结果均小于0.85，满足规范要求。
（5）位移比及最大层间位移角：控制位移比主要为控制结构平面规则性，以免形成扭转，对结构产生不利影响；最大层间位移角高规第4.3.5 条规定，在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移，复杂高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于該楼层平均值的1.4 倍；第4.6.3 条规定，按弹性方法计算的最大层间位移角，框剪结构不宜大于1/800。本工程的计算结果（如下表二），位移比均控制在1.4（最大为1.26）以下，最大层间位移角不大于1/800（最大为1/900），均满足规范要求。
（6）轴压比：下部框支柱最大轴压比为 0.59，剪力墙最大轴压比为0.49，分别满足高规第 6.4.2 及 7.2.14 条的要求。
（7）弹性动力时程分析：本工程采用 STAWE 程序进行弹性动力时程分析，对结构进行了补充设计。波形采用RH1TG035、RH2TG035、TH1TG035、TH2TG035，以层间剪力和层间变形为主要控制指标。与振型分解法结果相比，大部分楼层墙柱、梁配筋基本一致，说明整体结构的刚度设计是合理的。经比较，PMSAP 计算结果与SATWE非常接近，各类参数反映出 PMSAP 模型仅仅比 SATWE 的刚度稍高。究其原因，可能是因PMSAP 开发了楼板用的“多边形楼板单元”，计算时进入整体结构分析，严格考虑了楼层之间、构件之间的耦合作用，使得结构整体刚度有所加大。但SATWE中考虑了全楼弹性楼板时也可计算楼板的平面内、外刚度，故计算结果相差甚微。综合以上计算分析结果表明，各项控制指标均能满足规范要求，设计达到了预期效果。从结构的梁、柱、墙配筋及控制内力分析，均符合安全和经济的要求。
四、地基与基础分析
拟建场地的地形地貌简单，无膨胀土层和滑坡等不良地质作用存在。从地质资料分析，泥岩、砂层互层地基承载力较高，承载力特征值Fak＝450kpa，土层埋深 3～6 米，厚度较厚（本次钻孔未钻穿，钻进最大厚度为26.87 米） 可作为本工程的基础持力层。根据本工程实际情况，基础形式采用梁板式筏板基础，基坑开挖至6m 左右，基础梁上反（反梁结构）。基础筏板计算采用弹性地基梁、板模型考虑上部结构刚度由PKPM 系列JCCAD进行整体分析计算，并按规范要求计算地基变形量，其结果均满足规范允许值要求。
结语：
本工程采用部分框支剪力墙结构体系是适宜的，它兼有框架结构布置灵活、延性好的优点和剪力墙结构刚度大、承载力大的优点，又能解决下部商场、车库需要大空间的问题。只要我们重视概念设计，合理布置构件，使结构体系具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径，满足刚度适宜原则，既满足安全度要求，又使结构具备一定的延性，改善结构的变形能力，同时还要和各个设计专业密切配合，才能设计出既美观又实用，既经济又安全的建筑。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：结构设计；转换层；结构布置；分析
中图分类号：[TU355]文献标识码：A 文章编号：
Abstract: In this paper, through a case with conversion layers of multi-tower high-rise building structure design process, the transfer floor structure in high-rise building are briefly introduced and expounded some design experience.
Key Words: structural design; transition layer; structure layout analysis;
一、工程概况
本工程为广东珠海某栋高层商住楼，建筑面积为36738m2，建筑平面为较为规则的结构单元，但由于建筑设计的特點决定在结构抗震概念设计上无法完全符合规范要求的“规则”，故在设计时还要注意以下几点：
1、平面设计
在平面设计中，结构虽在上部住宅按单元设置抗震缝将其划分为相对规则的三个单元（塔），但在平面上仍然有出现扭转不规则、凹凸不规则和楼板局部不连续的情况，但避免了结构平面出现严重不规则的情况。对于出现不规则情况，均严格按照规范要求：平面不规则而竖向规则的建筑结构，应采用空间结构计算模型，并应符合下列要求：
①扭转不规则时，应计及扭转影响，且楼层竖向构件最大的弹性水平位移和层间位移分别不宜大于楼层两端弹性水平位移和层间位移平均值的1.5倍；
②凹凸不规则或楼板局部不连续时，应采用符合楼板平面内实际刚度变化的计算模型，当平面不对称时尚应计及扭转影响。
2、竖向设计
本工程由于是较为规则的商住楼，立面无较大凸出和凹进，基本未出现竖向不规则现象，满足体型要求。根据建筑方案的平面和剖面，本工程的平面布置和竖向布置均满足高层建筑的概念设计要求。
二、结构布置
本工程采用部分框支剪力墙结构，上部住宅部分三个塔采用框剪结构，底部三层和地下室建筑功能需要大空间，所以局部有转换，转换层设在第四层，按复杂高层结构进行设计。剪力墙抗震等级为三级，框架抗震等级为三级；转换层及底部加强部位落地剪力墙、框支柱的抗震等级按规范要求提高为一级。底层框架柱网及落地剪力墙的布置和内力计算是本工程设计的关键，为了保证下部大空间整体结构有适宜的刚度、强度、延性和抗震性能，应尽量弱化转换层上部主体结构刚度，强化转换层下部主体结构刚度，使转换层上、下部主体结构的刚度及变形特征尽量接近。在尽量满足建筑的使用功能的前提下，转换层上部的剪力墙力求直接落在主结构上，落地剪力墙的布置尽量采取对称、周边、楼梯间、电梯井筒布置的原则。对于各个“工”字形塔细腰部，采取了在外伸段凹槽处设置连接梁的加强构造措施。落地剪力墙截面尺寸的确定：除满足竖向承载力作用下轴压比限值外，依据高规第10.2.3 条和附录E.0.2 条的规定，通过计算转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比。
（1）γe（γe= （Δ1H2/Δ2H1）），以γe不大于1.3 为原则，调整下部落地剪力墙的厚度。本工程经按上述方法计算调整，下部落地剪力墙的厚度：纵向均为400，横向均为300。转换层上部与下部结构X方向的等效侧向刚度比γex＝1.09，Y方向的等效侧向刚度比γey＝1.22。
（2）转换层的结构布置：转换层的转换结构构件形式很多，有梁、桁架、空腹桁架、箱形结构、斜撑等，本工程下部柱网最大不超过6m，因此采用普通梁式转换即可。为了使转换层有足够的水平刚度与承载力，保证转换层可以将上部剪力可靠地传递到落地剪力墙上去，依据高规第10.2.20 条的规定，转换层楼板厚取180mm，与转换层相邻楼层第三、五层也适当加强，板厚取120mm。框支梁按受力的需要取700x1800～1500x2000。
（3）标准层结构布置：需要转换的剪力墙全部直接落在框支梁上，避免了二次转换。结构平面布置时尽量使刚心和质心重合，以避免或减小在风荷载或地震作用下产生的扭转效应及其相应的破坏，同时适当减少剪力墙的数量、长度，以削弱上部结构的刚度，减小转换层上、下部结构的刚度突变。为使结构的侧向刚度均匀变化，剪力墙沿竖向由300厚逐级收薄为200 厚，框架柱也大部分逐级收小为400x400。
（4）框架梁根据不同的跨度，以200x400～200x500 为主，梁跨高比控制在1/15 以内。边梁梁高为600～1000，既兼顾考虑凸窗的设置，也增强了结构的整体刚度，减少了结构的扭转效应。
（5）楼层的楼板均按框架（剪力墙） —梁—次梁—楼板的体系，根据楼板的计算跨度决定板厚，一般取100mm～120mm；考虑地下室顶部作为上部结构的嵌固部位，地下室顶板厚取180mm；屋面根据高规要求适当增加屋面和屋面板的刚度，板厚取120mm。
三、整体结构计算及结果分析
1、整体结构计算
本工程采用PKPM 系列软件中SATWE进行整体结构计算并进行了弹性时程分析，同时用不同力学模型的PMSAP 进行计算比较。为了使计算模型更加符合实际情况，将各层楼板定义为弹性楼板进行计算，以便使模型误差最小，并考虑扭转耦联、双向地震作用。根据高规的要求，高位框支转换结构属于复杂高层，因此在“结构体系”中选择“复杂高层结构”计算。
2、结果分析
根据计算结果，主要控制的指标如下：
（1）刚度比：主要为控制结构竖向规则性，以免竖向刚度突变，形成薄弱层，抗规第3.4.2 条要求，抗震设计的高层建筑结构，其楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的70％或其上相邻三层侧向刚度平均值的80％。否则为结构薄弱层，应按高规5.1.14 条规定对薄弱层对应于地震作用标准值的地震剪力应乘以1.15 的增大系数。本工程满足规范要求，未出现薄弱层。
（2）刚重比：主要为控制结构的稳定性，以免结构产生滑移和倾覆。本工程X向刚重比EJd/GH**2=5.37，Y向刚重比EJd/GH**2=5.24，本工程刚重比大于2.7，能够通过高规第5.4.4 条的整体稳定验算，可以不考虑重力二阶效应的不利影响。
（3）高位转换时转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比：楼层刚度采用剪弯刚度算法，计算出X方向刚度比为1.0923，Y方向刚度比为1.2175，满足高规第E.0.2 条的要求。
（4）周期比：主要为控制结构扭转效应，减小扭转对结构产生的不利影响，应满足高规第4.3.5 条的规定，结构扭转为主的第一周期Tt 与平动为主的第一周期T1 之比，A级高度高层不应大于0.9；B级高度、混合结构、复杂结构高层均不应大于0.85。平动系数大于0.5 为平动为主，反之为扭转为主；以周期最长的为第一周期。若以扭转为主的振型排得很前，即其T大于或接近以平动为主的T，其抗扭性能差，有必要调整其结构布置。本工程的周期比（如下表一），计算结果均小于0.85，满足规范要求。
（5）位移比及最大层间位移角：控制位移比主要为控制结构平面规则性，以免形成扭转，对结构产生不利影响；最大层间位移角高规第4.3.5 条规定，在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移，复杂高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于該楼层平均值的1.4 倍；第4.6.3 条规定，按弹性方法计算的最大层间位移角，框剪结构不宜大于1/800。本工程的计算结果（如下表二），位移比均控制在1.4（最大为1.26）以下，最大层间位移角不大于1/800（最大为1/900），均满足规范要求。
（6）轴压比：下部框支柱最大轴压比为 0.59，剪力墙最大轴压比为0.49，分别满足高规第 6.4.2 及 7.2.14 条的要求。
（7）弹性动力时程分析：本工程采用 STAWE 程序进行弹性动力时程分析，对结构进行了补充设计。波形采用RH1TG035、RH2TG035、TH1TG035、TH2TG035，以层间剪力和层间变形为主要控制指标。与振型分解法结果相比，大部分楼层墙柱、梁配筋基本一致，说明整体结构的刚度设计是合理的。经比较，PMSAP 计算结果与SATWE非常接近，各类参数反映出 PMSAP 模型仅仅比 SATWE 的刚度稍高。究其原因，可能是因PMSAP 开发了楼板用的“多边形楼板单元”，计算时进入整体结构分析，严格考虑了楼层之间、构件之间的耦合作用，使得结构整体刚度有所加大。但SATWE中考虑了全楼弹性楼板时也可计算楼板的平面内、外刚度，故计算结果相差甚微。综合以上计算分析结果表明，各项控制指标均能满足规范要求，设计达到了预期效果。从结构的梁、柱、墙配筋及控制内力分析，均符合安全和经济的要求。
四、地基与基础分析
拟建场地的地形地貌简单，无膨胀土层和滑坡等不良地质作用存在。从地质资料分析，泥岩、砂层互层地基承载力较高，承载力特征值Fak＝450kpa，土层埋深 3～6 米，厚度较厚（本次钻孔未钻穿，钻进最大厚度为26.87 米） 可作为本工程的基础持力层。根据本工程实际情况，基础形式采用梁板式筏板基础，基坑开挖至6m 左右，基础梁上反（反梁结构）。基础筏板计算采用弹性地基梁、板模型考虑上部结构刚度由PKPM 系列JCCAD进行整体分析计算，并按规范要求计算地基变形量，其结果均满足规范允许值要求。
结语：
本工程采用部分框支剪力墙结构体系是适宜的，它兼有框架结构布置灵活、延性好的优点和剪力墙结构刚度大、承载力大的优点，又能解决下部商场、车库需要大空间的问题。只要我们重视概念设计，合理布置构件，使结构体系具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径，满足刚度适宜原则，既满足安全度要求，又使结构具备一定的延性，改善结构的变形能力，同时还要和各个设计专业密切配合，才能设计出既美观又实用，既经济又安全的建筑。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。