论文部分内容阅读
摘要：本文结合工程实例对转换层在高层建筑结构中设计进行了探讨，并对转换层的概念、结构、构造等几方面的设计提出了有效措施。
关键词：结构设计； 转换层； 剪力墙
1 、工程概况
某商住综合性高层建筑，地下2层为地下停车场及设备用房，地上4层为裙房，用作商业用房，其中2幢塔楼均为住宅。A,B 幢塔楼均为25层，高83.100m。总建筑面积47500m2。总体建筑剖面如图1所示。
由于建筑功能的要求，本工程结构采用底部大空间转换剪力墙结构，转换层设在第4层顶面。该地区抗震设防烈度为7度第一组，设计基本地震加速度值为0.10g，拟建场地为Ⅱ类场地土。结构抗震等级：转换层下剪力墙一级；短肢剪力墙二级；框支柱特一级；框架一级。基础采用筏板基础，置于中密卵石层上。地下室未按人防设计。为了满足建筑功能及城市规划对本工程的要求，结构必须处理好以下几个问题：一是转换结构的选择；二是转换层楼板标高的定位及结构计算层高的确定；三是上部窗洞(局部)位于框支柱顶的处理；四是二级转换梁及局部转换梁置于剪力墙(无柱)的处理。
2、设计与结构
2．1 结构确定
由于本工程总体上分为A,B2幢单独的建筑，2幢之間的步行街(下为2层地下停车场，上部考虑消防通道)，因此，结构上在两楼之间设置2条后浇带，将结构划分成甲、乙2个单元 考虑到地下室墙体较多，顶板(200mm)和底板(2000mm)厚度较厚，整体刚度较大，故将上部结构的计算嵌固点设在±0.000处，计算上分成A,B 2个单塔结构模型。
2．2 转换结构选型
由于带转换层的高层建筑结构有其自身的结构弱点，因此,《建筑抗震设计规范》和《钢筋混凝土高层建筑结构设计规程》都对其作了严格的规定，特别是本工程的高位转换要求更为严格。由于总体结构竖向传力构件的不连续，造成结构上部荷载不能直接传给下部的对应构件，而是通过转换结构的内力重分配，再向下传递，因此，转换构件相当重要而且受力比较复杂，必须绝对保证转换结构可靠有效的工作。结合本工程的建筑方案要求，经多方案比较，本工程采用梁式转换(因梁式转换比较于其它转换而言受力明确、传力简洁、计算模型简单)，同时，增加转换层板厚(2501TIITI厚双层双向配筋)加强整体性，以符合刚性楼盖假定。
由于转换层上下结构形式不同，容易造成总体结构刚度在转换层上下形成突变，对整体结构抗震极为不利。为此，本工程采取以下措施进行处理：尽量保证落地剪力墙的数量，在适当位置(不影响建筑使用功能的情况下)增加底部墙肢数量，以加强底部刚度；另外，尽量拉大上部剪力墙的间距，减小墙肢长度和数量，改变墙厚等措施来调整转换层上下刚度，使其变化较为均匀，过渡平稳，尽量接近。框支柱是转换梁的支撑构件，其上作用的荷载较大，而且往往转换梁的刚度比框支柱大得多。为保证结构破坏时不出现柱铰机构的不利破坏形态，必须保证框支柱具有足够的延性和变形性能。因此，本工程框支柱的轴压比控制在0．5左右(必须小于0．55)和体积配箍率大于1.6％(HPR335钢)。本工程转换结构布置如图2所示，
图2 转换层结构
3、计算与分析
各构件截面尺寸如下：框支柱1000X1000～1000X1900；转换梁900×2200～800X1200；剪力墙厚450～400～300～200。混凝土强度等级：框支柱均为C55，其余构件C55～C30。
本工程整体结构计算采用SATwE和 T两种程序进行计算对比。经比较分析，最终采用SATwE计算结果进行设计，并根据该地区地震局所提供的本场地的场地波进行了时程分析；对转换梁、柱还进行了局部有限元精确分析。
3．1 整体结构计算数据分析
本工程为A,B 2单塔组成，中间没有地下室相连。为简化计算，将A,B塔分别进行计算(计算中均考虑中间地下室)，计算时取27个振型，均考虑平动和耦联两种情况。由于A,B塔涉及的内容基本一致，仅列出B塔的计算数据，计算结果见表1。
表1 B塔整体计算结果
从表1可见：(SATwE软件计算结果)结构基本周期丁1在(0．065～0．075)N(N为层数)之间，属于合理范围，说明结构总体刚度合适；剪重比在2％左右，说明地震作用适当；转换层上下刚度比在1．25左右，表明转换层过渡平稳，结构竖向布置匀称，刚度变化适度，层间位移在规范允许范围内；结构构件截面参数取值合理，框支柱轴压比控制在0．55以内，角柱轴压比控制在0．5以内。
3．2 动力时程分析
根据场地地质情况，地震所提供了6条可能出现的地震波，选用了其中比较符合实际情况的2条进行动力时程分析。通过分析可看出，楼层最大位移曲线变化平稳、光滑、连续，曲线变化趋势符合框剪结构变形形态，顶点位移峰值比较合理，层间位移角曲线无较大突出和收进，无明显薄弱层出现。但位移曲线值大于SATwE计算位移曲线值，表明SATwE计算位移量偏小，地震力偏小。经多次将SATwE计算地震力放大系数提高，当地震力放大系数为1.23时,2条位移曲线基本一致，所以，最后本工程计算地震力放大系数取为1.25。通过本工程设计，说明用时程分析补充计算对较高的高层建筑是必要的。
4、 构造设计
本工程除了根据其受力机理进行比较精确的计算和按有关规范规程采用相应的结构构造措施外，还在以下方面作了考虑。
4．1 加强转换层结构的刚度和整体性，提高转换构件的承载能力和变形能力
(1)转换层梁、板柱混凝土强度等级均采用C55，同时加强转换层及上、下层楼板的厚度和配筋。转换层楼板厚度h=250mm，上、下层均取h=180mm。
(2)框支梁是转换层中最重要的受力构件之一，通过它将上部剪力墙荷载传递给下部框支柱，其受力相当复杂。通过有限元分析，转换梁偏心受拉特征明显，截面大部分应力为拉应力，转换梁跨中截面顶部区域虽然处于压应力状态，但其数值不大；有限元分析的正截面配筋结果小于整体结构分析结果，后者大约是前者的1.9倍，这是由于前者考虑了共同工作的结果，另外，两者对计算跨度的取值方法不同也是配筋结果相差较大的重要原因。所以，在本设计中，偏安全地采用了整体结构计算的结果进行转换大梁的构件截面和配筋设计。图3为1根转换梁的截面配筋图。
(3)转换层结构中柱的延性极重要，柱的延性与其轴压比、配箍率、纵向主筋的配筋率、混凝土的强度等级有关，为了提高框支柱的承载力及延性，在设计中采用以下构造措施：
①控制框支柱的轴压比在0.55以内；
②混凝土强度等级采用C55；
③控制柱的纵向配筋率≥1.6％；
④采用芯柱加复合加密箍筋，体积配箍率≥1.8％，芯柱配筋率>0.6％，这样，可以加大箍筋对柱截面核心混凝土的约束作用，提高混凝土极限压应变，改善柱的变形能力。图4为1根框支柱配筋详图。
图4 框支柱配筋示意
4．2 框支层以上剪力墙采取以下构造措施标准层平面详见图5。
图5 标准层结构平面
(1)本工程框支层以上剪力墙采用短肢剪力墙，这样可以使转换层上、下刚度尽量接近，以满足规范规程的限制条件。
(2)与转换梁相近的墙体参与转换梁共同工作，同时分担了转换梁的部分内力，本工程特别加强了转换层以上3层的墙体截面及构造配筋。
(3)短肢剪力墙结构与一般剪力墙结构相比，整体刚度相对弱一些，如将墙肢加长，又增加了结构的刚度，使转换层上、下刚度比加大，如将墙肢减短，又减小了结构的延性，所以，在设计上应合理控制剪力墙的墙肢长度，合理控制其轴压比。本工程经多次调整截面使结构的延性和转换层上、下层刚度比都控制在合理范围内。
5、 结语
复杂高层建筑结构体系，必须认真作好设计工作，分析总体结构特点和结构难点，作出总体结构布置，建立较为简洁、可靠且符合实际的结构计算模型。重要部位和关键构件，应进行必要的局部分析，并采用相应的处理措施。如转换梁与上部主体共同工作，采用有限元法分析转换梁及上部墙体的应力、内力，作为设计转换梁和上部墙体配筋构造的依据。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：结构设计； 转换层； 剪力墙
1 、工程概况
某商住综合性高层建筑，地下2层为地下停车场及设备用房，地上4层为裙房，用作商业用房，其中2幢塔楼均为住宅。A,B 幢塔楼均为25层，高83.100m。总建筑面积47500m2。总体建筑剖面如图1所示。
由于建筑功能的要求，本工程结构采用底部大空间转换剪力墙结构，转换层设在第4层顶面。该地区抗震设防烈度为7度第一组，设计基本地震加速度值为0.10g，拟建场地为Ⅱ类场地土。结构抗震等级：转换层下剪力墙一级；短肢剪力墙二级；框支柱特一级；框架一级。基础采用筏板基础，置于中密卵石层上。地下室未按人防设计。为了满足建筑功能及城市规划对本工程的要求，结构必须处理好以下几个问题：一是转换结构的选择；二是转换层楼板标高的定位及结构计算层高的确定；三是上部窗洞(局部)位于框支柱顶的处理；四是二级转换梁及局部转换梁置于剪力墙(无柱)的处理。
2、设计与结构
2．1 结构确定
由于本工程总体上分为A,B2幢单独的建筑，2幢之間的步行街(下为2层地下停车场，上部考虑消防通道)，因此，结构上在两楼之间设置2条后浇带，将结构划分成甲、乙2个单元 考虑到地下室墙体较多，顶板(200mm)和底板(2000mm)厚度较厚，整体刚度较大，故将上部结构的计算嵌固点设在±0.000处，计算上分成A,B 2个单塔结构模型。
2．2 转换结构选型
由于带转换层的高层建筑结构有其自身的结构弱点，因此,《建筑抗震设计规范》和《钢筋混凝土高层建筑结构设计规程》都对其作了严格的规定，特别是本工程的高位转换要求更为严格。由于总体结构竖向传力构件的不连续，造成结构上部荷载不能直接传给下部的对应构件，而是通过转换结构的内力重分配，再向下传递，因此，转换构件相当重要而且受力比较复杂，必须绝对保证转换结构可靠有效的工作。结合本工程的建筑方案要求，经多方案比较，本工程采用梁式转换(因梁式转换比较于其它转换而言受力明确、传力简洁、计算模型简单)，同时，增加转换层板厚(2501TIITI厚双层双向配筋)加强整体性，以符合刚性楼盖假定。
由于转换层上下结构形式不同，容易造成总体结构刚度在转换层上下形成突变，对整体结构抗震极为不利。为此，本工程采取以下措施进行处理：尽量保证落地剪力墙的数量，在适当位置(不影响建筑使用功能的情况下)增加底部墙肢数量，以加强底部刚度；另外，尽量拉大上部剪力墙的间距，减小墙肢长度和数量，改变墙厚等措施来调整转换层上下刚度，使其变化较为均匀，过渡平稳，尽量接近。框支柱是转换梁的支撑构件，其上作用的荷载较大，而且往往转换梁的刚度比框支柱大得多。为保证结构破坏时不出现柱铰机构的不利破坏形态，必须保证框支柱具有足够的延性和变形性能。因此，本工程框支柱的轴压比控制在0．5左右(必须小于0．55)和体积配箍率大于1.6％(HPR335钢)。本工程转换结构布置如图2所示，
图2 转换层结构
3、计算与分析
各构件截面尺寸如下：框支柱1000X1000～1000X1900；转换梁900×2200～800X1200；剪力墙厚450～400～300～200。混凝土强度等级：框支柱均为C55，其余构件C55～C30。
本工程整体结构计算采用SATwE和 T两种程序进行计算对比。经比较分析，最终采用SATwE计算结果进行设计，并根据该地区地震局所提供的本场地的场地波进行了时程分析；对转换梁、柱还进行了局部有限元精确分析。
3．1 整体结构计算数据分析
本工程为A,B 2单塔组成，中间没有地下室相连。为简化计算，将A,B塔分别进行计算(计算中均考虑中间地下室)，计算时取27个振型，均考虑平动和耦联两种情况。由于A,B塔涉及的内容基本一致，仅列出B塔的计算数据，计算结果见表1。
表1 B塔整体计算结果
从表1可见：(SATwE软件计算结果)结构基本周期丁1在(0．065～0．075)N(N为层数)之间，属于合理范围，说明结构总体刚度合适；剪重比在2％左右，说明地震作用适当；转换层上下刚度比在1．25左右，表明转换层过渡平稳，结构竖向布置匀称，刚度变化适度，层间位移在规范允许范围内；结构构件截面参数取值合理，框支柱轴压比控制在0．55以内，角柱轴压比控制在0．5以内。
3．2 动力时程分析
根据场地地质情况，地震所提供了6条可能出现的地震波，选用了其中比较符合实际情况的2条进行动力时程分析。通过分析可看出，楼层最大位移曲线变化平稳、光滑、连续，曲线变化趋势符合框剪结构变形形态，顶点位移峰值比较合理，层间位移角曲线无较大突出和收进，无明显薄弱层出现。但位移曲线值大于SATwE计算位移曲线值，表明SATwE计算位移量偏小，地震力偏小。经多次将SATwE计算地震力放大系数提高，当地震力放大系数为1.23时,2条位移曲线基本一致，所以，最后本工程计算地震力放大系数取为1.25。通过本工程设计，说明用时程分析补充计算对较高的高层建筑是必要的。
4、 构造设计
本工程除了根据其受力机理进行比较精确的计算和按有关规范规程采用相应的结构构造措施外，还在以下方面作了考虑。
4．1 加强转换层结构的刚度和整体性，提高转换构件的承载能力和变形能力
(1)转换层梁、板柱混凝土强度等级均采用C55，同时加强转换层及上、下层楼板的厚度和配筋。转换层楼板厚度h=250mm，上、下层均取h=180mm。
(2)框支梁是转换层中最重要的受力构件之一，通过它将上部剪力墙荷载传递给下部框支柱，其受力相当复杂。通过有限元分析，转换梁偏心受拉特征明显，截面大部分应力为拉应力，转换梁跨中截面顶部区域虽然处于压应力状态，但其数值不大；有限元分析的正截面配筋结果小于整体结构分析结果，后者大约是前者的1.9倍，这是由于前者考虑了共同工作的结果，另外，两者对计算跨度的取值方法不同也是配筋结果相差较大的重要原因。所以，在本设计中，偏安全地采用了整体结构计算的结果进行转换大梁的构件截面和配筋设计。图3为1根转换梁的截面配筋图。
(3)转换层结构中柱的延性极重要，柱的延性与其轴压比、配箍率、纵向主筋的配筋率、混凝土的强度等级有关，为了提高框支柱的承载力及延性，在设计中采用以下构造措施：
①控制框支柱的轴压比在0.55以内；
②混凝土强度等级采用C55；
③控制柱的纵向配筋率≥1.6％；
④采用芯柱加复合加密箍筋，体积配箍率≥1.8％，芯柱配筋率>0.6％，这样，可以加大箍筋对柱截面核心混凝土的约束作用，提高混凝土极限压应变，改善柱的变形能力。图4为1根框支柱配筋详图。
图4 框支柱配筋示意
4．2 框支层以上剪力墙采取以下构造措施标准层平面详见图5。
图5 标准层结构平面
(1)本工程框支层以上剪力墙采用短肢剪力墙，这样可以使转换层上、下刚度尽量接近，以满足规范规程的限制条件。
(2)与转换梁相近的墙体参与转换梁共同工作，同时分担了转换梁的部分内力，本工程特别加强了转换层以上3层的墙体截面及构造配筋。
(3)短肢剪力墙结构与一般剪力墙结构相比，整体刚度相对弱一些，如将墙肢加长，又增加了结构的刚度，使转换层上、下刚度比加大，如将墙肢减短，又减小了结构的延性，所以，在设计上应合理控制剪力墙的墙肢长度，合理控制其轴压比。本工程经多次调整截面使结构的延性和转换层上、下层刚度比都控制在合理范围内。
5、 结语
复杂高层建筑结构体系，必须认真作好设计工作，分析总体结构特点和结构难点，作出总体结构布置，建立较为简洁、可靠且符合实际的结构计算模型。重要部位和关键构件，应进行必要的局部分析，并采用相应的处理措施。如转换梁与上部主体共同工作，采用有限元法分析转换梁及上部墙体的应力、内力，作为设计转换梁和上部墙体配筋构造的依据。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。