复杂高层换层结构设计

【摘要】本文主要介绍了一栋超限高层公寓式住宅的转换层结构设计。结合概念设计和结构布置等方面采取了相应的技术措施，保证结构的各项指标满足规范要求。转换层既是薄弱层，不要误认为主要楼层侧向刚度满足规程要求，该楼层就不是薄弱层，转换层应当按薄弱层设计。

【关键词】转换层；薄弱层；刚度比

引言

复杂高层建筑结构包括：带转换层的结构、带加强层的结构、错层结构、连体结构和多塔楼结构等。这些结构竖向布置不规则，传力途径复杂，有些工程平面布置也不规则。就转换构件而言，有梁式转换、桁架转换、厚板转换、箱形转换等等。

这里着重就宁波某单身公寓项目（5层转换），建筑30层，高98.75米，5层裙房，谈谈转换层结构的设计浅见。

转换结构的设计原则：（1）减少转换；（2）传力直接；（3）强化下部、弱化上部；（4）优化转换结构；（5）计算全面准确。

1 底部转换层的设置高度

转换层位置较高时，易使框支剪力墙结构在转换层附近的刚度、内力发生突变，并易形成薄弱层，其抗震设计概念与底层框支剪力墙有一定的差别。转换层位置较高时，转换层下部的落地剪力墙与框支结构易于开裂和屈服。因此《高规》规定，对于部分框支剪力墙结构，转换层设置高度，8度区不宜超过3层，7度区不宜超过5层，6度时其层数可以适当增加。

而对于底部带转换层的框架-核心筒结构和外筒为密柱框架的筒中筒结构，由于其转换层上、下部结构的刚度突变不明显，转换层上、下内力传递途径的突变也小于框支剪力墙结构，转换层设置高度对这种结构的影响不如框支剪力墙结构严重，因此这种结构的转换层位置可以比框支剪力墙结构适当提高。

当底部带转换层的筒中筒结构的外筒为由剪力墙组成的壁式框架时，其转换层上、下的刚度突变及内力传递突变的程度与框支剪力墙结构比较接近，其转换层设置高度的限制宜与框支剪力墙结构相同。

2 转换层上、下刚度突变的控制

带转换层高层建筑结构应使转换层下部结构的抗侧刚度接近转换层上部邻近结构的抗侧刚度，不发生明显的刚度突变，转换层结构不应设计成为柔弱层。在水平荷载作用下，当转换层上、下部结构侧向刚度相差较大时，会导致转换层上、下结构构件内力突变，促使部分构件提前破坏；当转换层位置相对较高时，这种内力突变会进一步加剧。因此，设计时应控制转换层上、下层结构的等效刚度比。实际上，在水平力作用下（静力）结构的层间变形角是否均匀是检查结构刚度是否均匀的最基本的要求，层间变形角可通过结构整体分析获得，结构抗侧刚度突变应当反映在层间变形曲线上。抗震设计时相邻两层的层间变形角之比值宜控制在0.7～1.4之间。

刚度比的控制严格按照《高规》附录E 的规定，应该值得注意的是，在底部大空间层数大于1层时，其转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比的计算模型的H1、H2高度的选取要正确。另外为防止出现转换层下部楼层刚度较大，而转换层本层的侧向刚度较小；此时，等效刚度比虽能满足限制，但转换层本层的侧向刚度过于柔软。故《高规》规定当转换层设置在3层及3层以上时，其楼层侧向刚度尚不应小于相邻楼层侧向刚度的60%。

3 剪力墙、框支柱的布置

落地剪力墙、筒体和框支柱的布置对防止转换层下部结构在地震中发生严重破坏或倒塌将起着十分重要的作用。必须特别注意落地剪力墙、筒体和框支柱的布置。为此，应采取措施防止转换层下部结构发生破坏。

（1）带转换层的筒体结构的内筒应全部上、下贯通落地并按刚度要求增加墙厚度；框支剪力墙结构要有足够的剪力墙上、下贯通落地并按刚度要求增加墙厚度。落地的横向剪力墙的数目与横向剪力墙总数目之比，非抗震设计时不宜小于30%，抗震设计时不宜小于50%。

与建筑协调，争取尽可能多的剪力墙、筒体落地，且落地纵向、横向剪力墙最好成组布置，组合为落地筒体。加大落地剪力墙、筒体底部墙体的厚度，尽量增大落地剪力墙、筒体的截面面筋，尽量部开洞，开小洞。若需开洞，洞口宜布置在落地剪力墙、筒体墙体的中部。

（2）长矩形平面建筑中落地剪力墙的间距L宜符合以下规定：

非抗震设计时：L≤3B且L≤36m

抗震设计时：

底部1～2层为框支层时：L≤2B且L≤24m

底部为3层及3层以上框支层时：L≤1.5B且L≤20m

其中，B-楼盖宽度。

（3）落地剪力墙与相邻框支柱的距离，1～2框支层时不宜大于12m，3层及3层以上时不宜大于10m。

（4）框支层周围楼板不应错层布置，以防止框支柱因楼盖错层发生破坏。

（5）刚度比的控制。

4 框支剪力墙结构的设计与构造要求

4.1 转换构件的内力调整

按照《高规》10.2.4、10.2.17调整。注意的是框支柱剪力调整后，应相应调整框支柱的弯矩及柱端梁（不包括转换梁）的剪力、弯矩，框支柱轴力可不调整。

4.2 转换层楼板

转换层楼板要将上部剪力墙的水平剪力传递到落地剪力墙上去，其自身平面内收到很大的剪力，楼板变形显著。因此，转换层楼板应采用现浇钢筋混凝土板，其厚度不宜小于180mm。转换层楼板混凝土强度等级不应低于C30，并应采用双层双向配筋，每层每方向贯通钢筋的配筋率不宜小于0.25%，且在楼板边缘结合纵向框架梁或底部外纵墙予以加强，形成加配粗钢筋的边缘拉梁。

部分框支剪力墙结构的框支层楼板剪力设计值，应符合下列要求：

Vf≤0.1βcfcbftf/γREVf≤fyAs/γRE

不要在大空间范围内的楼板开洞，如果必须在大空间部分设置楼梯间、电梯间时，应采用钢筋混凝土剪力墙围成筒体。

框支层楼板的边缘和较大洞口周边应设置边梁，其宽度不应小于板厚的2倍，纵向钢筋的配筋率不应小于1.0%，钢筋接头宜采用机械连接或焊接，楼板的钢筋应锚固在边梁内。与转换层相邻楼层的楼板也应适当加强，楼板厚度不宜小于150mm，并宜双层双向配筋，每层每方向贯通钢筋配筋率不宜小于0.25%，且需在楼板边缘结合纵向框架梁或底部纵墙予以加强。

4.3 框支梁

当转换梁承托上部墙体满跨不开洞时，转换梁与上部墙体共同作用，其受力特征与破坏形态表现为深梁，此时转换梁的截面设计方法宜采用深梁截面设计方法或应力截面设计方法，且计算出的纵向钢筋应沿全梁高适当分布配置。由于此时转换梁跨中较大范围内的内力比较大，故底筋不宜截断和弯起，应全部伸入支座。

当转换梁承托上部墙体满跨且开较多门窗洞或不满跨但剪力墙长度较大时，转换梁截面设计也宜采用深梁截面设计方法或应力截面设计方法，纵筋的布置则沿梁下部适当分布配置，且底筋不宜截断和弯起，应全部伸入支座。

当转换梁承托上部墙体为小墙肢时，转换梁基本上可按普通梁的截面设计方法进行配筋计算，纵筋可按普通梁集中布置在转换梁的底部。

4.4 框支柱

（1）地震作用下框支柱内力调整

剪力调整-强剪弱弯、弯矩调整-强柱弱梁、轴力调整-控制轴压比、剪压比。

（2）截面尺寸、构造措施详《高规》

值得注意的框支柱钢筋能伸入上部墙体的钢筋尽量伸入墙体，不能伸入墙体的钢筋在梁内锚固。框支柱节点区水平箍筋原则上可同框支柱箍筋配置，但当框支梁腰筋配置及拉筋可靠锚固时，可按下列要求设置水平箍筋、拉筋。

4.5 框支梁上部剪力墙、筒体

（1）上部剪力墙、筒体布置时，应注意其整体空间的完整性和延性，注意外墙尽量设置转角翼缘，注意门窗洞尽量居于框支梁跨中，应尽量避免无连梁相连的延性较差的秃墙。需满足轴压比限制。

（2）振动台试验表明，底部带转换层的高层建筑结构中，当转换层位置较高时，落地剪力墙往往从其墙底部到转换层以上1～2层范围内出现裂缝，同时转换构件上部的1～2层剪力墙也经常出现裂缝或局部破坏。因此，框支梁上部剪力墙、筒体的底部加强部位范围取转换构件上两层。

（3）框支梁上一层剪力墙配筋应满足下列要求：

1）柱上墙体的端部纵筋As：As=hcbw（σ01-fc）/fy

2）柱边0.2ln宽度范围内的竖向分布钢筋Asw：

Asw= 0.2lnbw（σ02-fc）/fyw

3）框支梁上方0.2ln高度范围内水平钢筋Ash：

Ash=0.2lnbwσx，max/fyh

有地震作用组合时，σ01、σ02、σx，max均应乘以γRE，γRE=0.85。

（4）框支梁上部的墙体开有边洞口时，洞边墙体宜设置翼缘墙、端柱或加厚，并应按《规程》有关约束边缘构件的要求进行配筋设计。当洞口靠近框支梁端部且梁的受剪承载力不满足要求时，可采取框支梁加腋或增大墙洞口连梁刚度等措施。

（5）框支梁上部墙体竖向钢筋在转换梁内的锚固长度，抗震设计不应小于laE，非抗震设计时不应小于la。锚固长度自框支梁顶面起计，且末端另加水平弯脚10d。

（6）转换梁与其上部墙体的水平施工缝处的抗滑移能力宜符合下列要求：Vwj≤（0.6fyAs+0.8N）/γRE

4.6 落地剪力墙、筒体

（1）振动台试验表明，底部带转换层的高层建筑结构，当转换层位置较高时，落地剪力墙往往从其墙底部转换层以上1～2层范围内出现裂缝，同时转换构件上部的1～2层剪力墙也出现裂缝或局部破坏。因此，落地剪力墙、筒体底部加强部位的高度可取框支层加上框支层以上二层及墙肢总高度的1/10二者的较大值；

（2）地震作用下落地剪力墙、筒体内力调整；

（3）部分框支剪力墙结构，剪力墙底部加强部位墙体的水平和竖向分布钢筋最小配筋率，抗震设计时不应小于0.3%，非抗震设计时不应小于0.25%；抗震设计时钢筋间距不应大于200mm，钢筋直径不应小于8mm；

（4）落地剪力墙、筒体截面限制条件。落地剪力墙的墙肢不宜出现偏心受拉；

（5）落地剪力墙、筒体宜均匀设置，满足间距要求；

（6）落地剪力墙、筒体应设置约束边缘构件；

（7）当地基土较弱或基础刚度和整体性较差，在地震作用下剪力墙基础可能产生较大的转动，对框支剪力墙结构的内力和位移均会产生不离的影响。因此落地剪力墙基础应具有良好的整体性和抗转动的能力；

（8）有抗震设防的落地双肢剪力墙，当抗震等级为特一级、一级、二级，且轴向压应力≤0.2fc及剪应力>0.15fc时，为了防止剪切滑移，在墙肢根部可设置交叉斜向钢筋。

5 结语

在目前的带转换层高层建筑结构中，梁式转换的应用最为广泛，从结构传力方式看，梁式转换层具有传力直接、明确和传力途径清楚的有点。转换梁具有受力性能好、工作可靠、构造简单和施工方便的优点，结构计算也相对容易，因此，工程实践中应用较多。

参考文献：

[1]唐兴荣.《特殊和复杂高层建筑结构设计》[M].机械工业出版社，2006.

[2]《全国民用建筑工程设计技术措施-结构》[S].中国计划出版社，2009.

[3]《PKPM 多层及高层结构CAD软件高级应用》[M].中国建筑工业出版社，2004.

[4]《高层建筑混凝土结构技术规程》[S].中国建筑工业出版社，2010

[5]《建筑抗震设计规范》[S].中国建筑工业出版社，2010.