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洛阳智中建筑设计院有限公司 河南 洛阳 471000
摘要：本文主要是对高层建筑转换层整体抗震性能及设计原则，以及应用SATWE软件对带短肢剪力墙的转换层结构抗震设计进行分析。
关键词：转换层；抗震设计原则，剪力墙，SATWE软件
一、转换层整体抗震性能及设计原则
带转换层的高层建筑，转换层上下的竖向结构体系或形式有较大差异，沿建筑物高度方面刚度的均匀性受到破坏，竖向承力构件不连续，墙、柱截面发生突变，导致传力路线曲折，变形和应力集中，且转换层自身刚度和质量较大，地震作用下的地震反应力很大，导致带转换层的高层建筑的抗震性能较差。从整体受力的角度，可以总结出一些改善转换层结构抗震性能的方法及设计原则：
1、控制转换层下部框支结构的等效侧向刚度（即考虑弯曲、剪切和轴向变形的综合刚度）。当转换层设置位置较高时，易使整体结构在转换层附近的刚度、内力和传力途径发生突变，尤其是当转换层位于3层以上时，按弹性动力时程分析得出的结构层间位移角包络线在转换层处产生明显突变，其主要原因就是结构设计中沿用了底层框支剪力墙结构的抗震设计概念，仅控制上部剪力墙结构与下部框支结构的层剪切刚度比γ [γ=（Gi+1* Ai+1 ）*hi/（Gi* Ai ）*hi+1 ] 。事实上，当转换层位置较高时，下部框支结构在侧向力的作用下，由于构件自身弯曲变形以及侧向力作用平面内两端构件的拉伸和压缩轴向变形所造成的整个下部框支结构的侧向位移加大，加上原有的由于剪切变形所造成的侧移，相同的侧向力作用下，综合侧移加大导致综合侧移刚度减小，转换层上下的刚度突变加大，转换层间位移角包络发生突变。因此，《高规》附录E提出了一个等效侧向刚度γe的概念，用单位侧向力作用下下部框支结构的侧移与同样高度的上部剪力墙结构的侧移的比值来综合反映弯曲、剪切和轴向变形对侧移刚度的影响。其实质就是使下部框支结构的变形特征及综合刚度与上部剪力墙结构接近，以避免刚度突变。
2、加强框支柱的强度和延性，以弥补弹性理论分析计算的不足。按照弹性理论的分析结果，在地震作用下，上部剪力墙结构传递下来的水平地震剪力通过转换层楼板的间接传力途径在下部框支框架和落地剪力墙之间进行完全的剪力重分配，由于框支框架和落地剪力墙的侧向刚度相差悬殊，即使理论分析时考虑了转换层楼板在平面内的变形及平面外的刚度，框支框架所受水平剪力的理论计算值仍然是比较小的。事实上，由于以下两个主要原因导致下部框支框架所受的实际水平剪力远大于弹性计算值：①、部分水平剪力通过抗侧力结构自身的直接传力途径进行传递。地震作用的持续时间仅为30～60S，地面运动加速度正、反方向的变化时间一般在零点几秒之内，在如此快速的动力作用下，全部内力通过楼板的间接传力途径进行传递是难以实现的。结构模型振动台试验的结果证实：转换层下部的大部分框支柱出现裂缝，上部剪力墙所受的剪力并未全部通过楼板的间接传力途径传递到落地筒体，部分内力直接传给下部与之相连的框支柱上，导致框支柱所受水平剪力远大于弹性静力分析结果，对抗震十分不利。②、转换层下部的落地剪力墙容易出现弯曲、弯剪裂缝，随着裂缝的出现和发展，落地剪力墙的刚度迅速递减。剪跨比较大的剪力墙当层间位移达到1/500时，其刚度降低60%，而转换层下部的支承框架当层间位移达到1/500时，其刚度基本上仍未降低，这将导致整个框支剪力墙结构的剪力和倾覆力矩分配情况与弹性分析结果有较大差异。也就是说，随着落地剪力墙刚度的降低转换层附近的剪力突变进一步加剧，框支框架所受的剪力和倾覆力矩大幅增加，形成薄弱部位，对抗震十分不利。因此，当转换层较高时，框支柱宜采用型钢混凝土结构，以提高柱的强度和延性。落地剪力墙宜形成筒体，并增强落地墙的承载能力和延性，加强端部约束，且落地剪力墙的间距和数量均严于底层框支剪力墙结构，必要时可在落地墙端部配置型钢，以避免或推迟落地剪力墙出现裂缝和刚度退化。另外，在条件和预算允许的情况下，采用箱形转换层加大转换层平面内刚度，可使下部框支柱受力均匀，接近弹性分析的计算假定。
二、应用SATWE软件进行带短肢剪力墙的转换层结构抗震设计
《高规》定义带转换层的高层建筑结构为复杂高层建筑结构，SATWE软件在总信息中相对应的提供了“复杂高层”这种结构体系可供选择，针对短肢剪力墙结构则相对应的提供了“短肢剪力墙”结构体系可供选择，认真分析后即可知道，在这两种结构体系中只有剪力墙在《高规》中有不同的规定，而SATWE计算结果中也确实有不同之处，而其中又尤以转换层下的落地剪力墙区别较大，且对结构的安全影响也大，故重点分析一下在两种结构体系中转换层以下的落地剪力墙的不同之处。（以一栋7度区30层高，转换层位于第5层的高层建筑为例，转换层以下既有短肢剪力墙也有普通剪力墙。）
1、抗震等级。《高规》规定短肢剪力墙的抗震等级应提高一级；当转换层的位置在3层及3层以上时，其框支柱、剪力墙底部加强部位的抗震等级宜提高一级。从SATWE的计算结果可以看出，用“短肢剪力墙”结构体系计算的落地短肢剪力墙的抗震等级为特一级，落地普通剪力墙的抗震等级为一级；而用“复杂高层”结构体系计算的两种剪力墙均为一级。对于转换层为3层或3层以上的结构，两种结构体系均要求提高一级，而“短肢剪力墙”结构体系针对短肢剪力墙又提高了一级，故由二级提高到特一级。而对于“复杂高层”结构体系，由于程序不能自动判断短肢剪力墙，所以抗震等级仅提高了一级。
2、内力分析。从SATWE的计算结果可以看出，在地震组合作用下“复杂高层”结构体系计算出的剪力墙弯矩值一般大于“短肢剪力墙”结构体系计算出的弯矩值。这是因为《高规》规定，对于复杂高层结构其特一、一、二级落地剪力墙底部加强部位的弯矩设计值，应按墙体底截面有地震组合的弯矩值乘以增大系数1.8、1.5、1.25，而短肢剪力墙并没有要求对底部加强部位的弯矩设计值进行调整。对于短肢剪力墙，两种结构体系均要求在底部加强部位对剪力设计值进行调整，一级和特一级应分别放大1.6和1.9，但由于在“短肢剪力墙”结构体系中落地短肢剪力墙的抗震等级为特一级，而在“复杂高层”结构体系中则为一级，二者的剪力设计值因此相差近20%。另外，在“短肢剪力墙”结构体系中非底部加强部位的短肢剪力墙也提高到一级，其剪力设计值放大1.4，而在“复杂高层”结构体系中非底部加强部位的短肢剪力墙仍为二级，且剪力设计值不放大，二者相差40%。
综上所述，对于带短肢剪力墙的转换层结构如果用SATWE的“复杂高层”结构体系来分析，则可能导致落地短肢剪力墙的抗剪性能受到影响，而如果采用SATWE的“短肢剪力墙”结构体系来分析，则可能导致落地剪力墙的筋量不足。可见，单纯按某一种结构体系计算都有可能带来不安全的隱患，只有按两种结构体系分别计算，才能充分考虑到规范规定的所有不同因素，得到一个完整的结构设计。因此，对于处于底部加强部位的剪力墙，无论是落地剪力墙还是转换层以上两层内的上部剪力墙，若采用了“复杂高层”结构体系计算，就必须手工复核短肢剪力墙的纵筋配筋率。
参考文献：
[1]陈勇.带梁式转换层的高层建筑抗震性能的研究[D]. 西南交通大学，2008
[2]徐培福主编.复杂高层建筑结构设计[M]. 中国建筑工业出版社，2005
摘要：本文主要是对高层建筑转换层整体抗震性能及设计原则，以及应用SATWE软件对带短肢剪力墙的转换层结构抗震设计进行分析。
关键词：转换层；抗震设计原则，剪力墙，SATWE软件
一、转换层整体抗震性能及设计原则
带转换层的高层建筑，转换层上下的竖向结构体系或形式有较大差异，沿建筑物高度方面刚度的均匀性受到破坏，竖向承力构件不连续，墙、柱截面发生突变，导致传力路线曲折，变形和应力集中，且转换层自身刚度和质量较大，地震作用下的地震反应力很大，导致带转换层的高层建筑的抗震性能较差。从整体受力的角度，可以总结出一些改善转换层结构抗震性能的方法及设计原则：
1、控制转换层下部框支结构的等效侧向刚度（即考虑弯曲、剪切和轴向变形的综合刚度）。当转换层设置位置较高时，易使整体结构在转换层附近的刚度、内力和传力途径发生突变，尤其是当转换层位于3层以上时，按弹性动力时程分析得出的结构层间位移角包络线在转换层处产生明显突变，其主要原因就是结构设计中沿用了底层框支剪力墙结构的抗震设计概念，仅控制上部剪力墙结构与下部框支结构的层剪切刚度比γ [γ=（Gi+1* Ai+1 ）*hi/（Gi* Ai ）*hi+1 ] 。事实上，当转换层位置较高时，下部框支结构在侧向力的作用下，由于构件自身弯曲变形以及侧向力作用平面内两端构件的拉伸和压缩轴向变形所造成的整个下部框支结构的侧向位移加大，加上原有的由于剪切变形所造成的侧移，相同的侧向力作用下，综合侧移加大导致综合侧移刚度减小，转换层上下的刚度突变加大，转换层间位移角包络发生突变。因此，《高规》附录E提出了一个等效侧向刚度γe的概念，用单位侧向力作用下下部框支结构的侧移与同样高度的上部剪力墙结构的侧移的比值来综合反映弯曲、剪切和轴向变形对侧移刚度的影响。其实质就是使下部框支结构的变形特征及综合刚度与上部剪力墙结构接近，以避免刚度突变。
2、加强框支柱的强度和延性，以弥补弹性理论分析计算的不足。按照弹性理论的分析结果，在地震作用下，上部剪力墙结构传递下来的水平地震剪力通过转换层楼板的间接传力途径在下部框支框架和落地剪力墙之间进行完全的剪力重分配，由于框支框架和落地剪力墙的侧向刚度相差悬殊，即使理论分析时考虑了转换层楼板在平面内的变形及平面外的刚度，框支框架所受水平剪力的理论计算值仍然是比较小的。事实上，由于以下两个主要原因导致下部框支框架所受的实际水平剪力远大于弹性计算值：①、部分水平剪力通过抗侧力结构自身的直接传力途径进行传递。地震作用的持续时间仅为30～60S，地面运动加速度正、反方向的变化时间一般在零点几秒之内，在如此快速的动力作用下，全部内力通过楼板的间接传力途径进行传递是难以实现的。结构模型振动台试验的结果证实：转换层下部的大部分框支柱出现裂缝，上部剪力墙所受的剪力并未全部通过楼板的间接传力途径传递到落地筒体，部分内力直接传给下部与之相连的框支柱上，导致框支柱所受水平剪力远大于弹性静力分析结果，对抗震十分不利。②、转换层下部的落地剪力墙容易出现弯曲、弯剪裂缝，随着裂缝的出现和发展，落地剪力墙的刚度迅速递减。剪跨比较大的剪力墙当层间位移达到1/500时，其刚度降低60%，而转换层下部的支承框架当层间位移达到1/500时，其刚度基本上仍未降低，这将导致整个框支剪力墙结构的剪力和倾覆力矩分配情况与弹性分析结果有较大差异。也就是说，随着落地剪力墙刚度的降低转换层附近的剪力突变进一步加剧，框支框架所受的剪力和倾覆力矩大幅增加，形成薄弱部位，对抗震十分不利。因此，当转换层较高时，框支柱宜采用型钢混凝土结构，以提高柱的强度和延性。落地剪力墙宜形成筒体，并增强落地墙的承载能力和延性，加强端部约束，且落地剪力墙的间距和数量均严于底层框支剪力墙结构，必要时可在落地墙端部配置型钢，以避免或推迟落地剪力墙出现裂缝和刚度退化。另外，在条件和预算允许的情况下，采用箱形转换层加大转换层平面内刚度，可使下部框支柱受力均匀，接近弹性分析的计算假定。
二、应用SATWE软件进行带短肢剪力墙的转换层结构抗震设计
《高规》定义带转换层的高层建筑结构为复杂高层建筑结构，SATWE软件在总信息中相对应的提供了“复杂高层”这种结构体系可供选择，针对短肢剪力墙结构则相对应的提供了“短肢剪力墙”结构体系可供选择，认真分析后即可知道，在这两种结构体系中只有剪力墙在《高规》中有不同的规定，而SATWE计算结果中也确实有不同之处，而其中又尤以转换层下的落地剪力墙区别较大，且对结构的安全影响也大，故重点分析一下在两种结构体系中转换层以下的落地剪力墙的不同之处。（以一栋7度区30层高，转换层位于第5层的高层建筑为例，转换层以下既有短肢剪力墙也有普通剪力墙。）
1、抗震等级。《高规》规定短肢剪力墙的抗震等级应提高一级；当转换层的位置在3层及3层以上时，其框支柱、剪力墙底部加强部位的抗震等级宜提高一级。从SATWE的计算结果可以看出，用“短肢剪力墙”结构体系计算的落地短肢剪力墙的抗震等级为特一级，落地普通剪力墙的抗震等级为一级；而用“复杂高层”结构体系计算的两种剪力墙均为一级。对于转换层为3层或3层以上的结构，两种结构体系均要求提高一级，而“短肢剪力墙”结构体系针对短肢剪力墙又提高了一级，故由二级提高到特一级。而对于“复杂高层”结构体系，由于程序不能自动判断短肢剪力墙，所以抗震等级仅提高了一级。
2、内力分析。从SATWE的计算结果可以看出，在地震组合作用下“复杂高层”结构体系计算出的剪力墙弯矩值一般大于“短肢剪力墙”结构体系计算出的弯矩值。这是因为《高规》规定，对于复杂高层结构其特一、一、二级落地剪力墙底部加强部位的弯矩设计值，应按墙体底截面有地震组合的弯矩值乘以增大系数1.8、1.5、1.25，而短肢剪力墙并没有要求对底部加强部位的弯矩设计值进行调整。对于短肢剪力墙，两种结构体系均要求在底部加强部位对剪力设计值进行调整，一级和特一级应分别放大1.6和1.9，但由于在“短肢剪力墙”结构体系中落地短肢剪力墙的抗震等级为特一级，而在“复杂高层”结构体系中则为一级，二者的剪力设计值因此相差近20%。另外，在“短肢剪力墙”结构体系中非底部加强部位的短肢剪力墙也提高到一级，其剪力设计值放大1.4，而在“复杂高层”结构体系中非底部加强部位的短肢剪力墙仍为二级，且剪力设计值不放大，二者相差40%。
综上所述，对于带短肢剪力墙的转换层结构如果用SATWE的“复杂高层”结构体系来分析，则可能导致落地短肢剪力墙的抗剪性能受到影响，而如果采用SATWE的“短肢剪力墙”结构体系来分析，则可能导致落地剪力墙的筋量不足。可见，单纯按某一种结构体系计算都有可能带来不安全的隱患，只有按两种结构体系分别计算，才能充分考虑到规范规定的所有不同因素，得到一个完整的结构设计。因此，对于处于底部加强部位的剪力墙，无论是落地剪力墙还是转换层以上两层内的上部剪力墙，若采用了“复杂高层”结构体系计算，就必须手工复核短肢剪力墙的纵筋配筋率。
参考文献：
[1]陈勇.带梁式转换层的高层建筑抗震性能的研究[D]. 西南交通大学，2008
[2]徐培福主编.复杂高层建筑结构设计[M]. 中国建筑工业出版社，2005