關于高位轉換結構設計中的若干建議

展衛(wèi)  孫建飛

(江蘇賽華建設監(jiān)理有限公司，江蘇無錫214071)

    高層建筑功能和形式日益多樣化，當多功能綜合大樓要求一棟建筑物的上部(中部)和下部使用功能不同時，結構布置也要相應改變，要設置轉換構件銜接上下結構，傳遞內力，設置轉換構件的樓層稱為轉換層。20世紀80年代以來，高層建筑發(fā)展迅速。建筑向體型復雜、功能多樣的綜合性方向發(fā)展。由于建筑功能的需要，框支剪力墻結構在高層建筑中大量應用，下部布置剛度小的框架柱以獲得大空間作為商場、餐館、文化娛樂場所；上部布置剛度大的剪力墻形成小空間作為住宅、旅館或辦公用房。有的轉換層位置較高，一般在3-6層，有的位于7-10層，甚至更高。在現代高層建筑中，轉換層的應用愈來愈多，與加強層一樣，它增加了結構的復雜程度。

1.轉換層類型

    高層建筑的轉換結構一般可分為四種基本結構形式即：梁式、桁架式(含桁架、空腹桁架)、箱形、厚板式，如圖1所示，此外還有連續(xù)拱、過渡層、合并柱轉換等。

    1.1梁式轉換

    底層柱距擴大后，采用轉換梁來承托上部密排柱傳來的豎向荷載。轉換梁的截面尺寸根據上下柱距和荷載大小而定，有時截面高度可達一層樓高。有時也采用預應力大梁。應用于框支剪力墻結構上的梁式轉換層最早，對其展開的研究也較多，理論相對成熟。通過比較多的工程研究，人們一致認為梁式轉換層這種結構形式受力明確，設計和施工相對簡單，同時在轉換梁受力較小部位可以開設合適的洞15，容易滿足建筑功能和設備管道線布置的要求，因此，在近些年的轉換層結構設計中應用最為廣泛。

    1.2桁架式轉換(含桁架、空腹桁架)

    桁架具有剛度大、自重輕、并能跨越較大跨度的特點。在底層出入口處，利用轉換桁架來代換實腹的轉換梁，可以取得較好的經濟效果，管道穿行較為方便而且還可以采光。

    1.3箱形轉換

    箱形轉換是通過一整層來達到具有較大剛度和承載力的一種轉換結構，實際上也是由梁式結構轉換層變化而來。在這一轉換層中，樓層上下面的同一軸線上均設一道大梁，梁間是鋼筋混凝土墻，構成類似于桁架的大型組合梁結構。縱橫兩向的組合梁交叉成梁格，大部分交叉處有底層通上來的柱子，底板和頂板都是鋼筋混凝土厚板，這樣便形成一個箱形剛性層。．在該層的腹板中可以選擇適當位置開設管道和人通行孔洞。

    由于箱形轉換層結構完整并且具有較大剛度，上層的剪力墻與箱形轉換層相當于一個結構中的兩個構件，彼此之間受力關系清楚，從某種程度上講，上部剪力墻結構的受力狀況與坐落在箱形基礎上的純剪力墻結構相似。因此，過渡層上的剪力墻不像框支剪力墻結構那樣應力復雜，這就在一定程度上解決了框支剪力墻結構中剪力墻開洞要求與洞口限制之間的矛盾。但箱形轉換層自身剛度較大，大空間的底層或下部幾層的結構平面需進行合理布置，保持一定的剛度，避免在抵抗水平力時因底層剛度削弱產生較大相對位移而造成破壞。

    1.4厚板轉換

    厚板結構的轉換層通常用于上下層既有結構類型的改變又有柱網、軸線變化的情況。對于體型復雜的商住樓，特別是多塔樓體系，上部住宅單元剪力墻布置很不規(guī)則，而下部商場要求規(guī)則大柱網，難以布置轉換梁和桁架，采用厚板轉換層成為一種較好選擇。整個轉換層是一塊厚達2．0—3．0 m的實心鋼筋混凝土承重板。有的厚板轉換層在一定部位也設有暗梁，以滿足上部結構的變化要求。早期的典型工程有捷克布拉的斯拉發(fā)Kyiew Hotel、香港綠楊新村以及深圳蛇口工業(yè)區(qū)碧采花園等。作為一種新型的轉換層，厚板結構轉換層可以使建筑物上下部的墻、柱軸線不受任何限制，從而更好地實現對高層建筑多功能的要求，但從結構上講，這是一種對抗震極為不利的復雜結構體系。厚板的重量達數千噸以至上萬噸，它相當于上部結構的“基礎”，但“基礎”又支撐在有側移的“軟弱底層”上，這樣大的質量集中在建筑物的中部，振動性能極為復雜，加之該層剛度非常大，下層剛度又很小，容易產生底部變形集中和震害。

    1.5連續(xù)拱

    鋼筋混凝土具有承載力大和跨度大的特點，如果能與建筑立面處理相協(xié)調，底層也可采用連續(xù)拱來擴大凈空。不過，在結構上必須處理好邊跨拱的巨大推力。

    1.6過渡層

    前面幾種處理方案都使框筒的樓層抗推剛度在底層發(fā)生突變，應用于地震區(qū)的高樓結構時，會引起變性集中等不利影響。如果采用調整柱的截面和高度，使框筒的樓層抗推剛度逐步變化，將會在地震反應上取得較好的效果。

    1.7合并柱

    美國紐約的世界貿易中心大樓是采用鋼框筒的最高建筑。9層以上的框筒的柱距為l.02 m；8層以下，柱距擴大為3.06 m，是采取每三根柱合并為一根柱的辦法解決的。過渡層則采用斜柱加以銜接。這樣處理既解決了樓層剛度突變問題，又取得了獨特、別致豎向線條的立面效果。

2、轉換層力學特性及其影響因素分析

    近年來，由于建筑功能多樣化的要求，不僅在底層和少數層布置大空間，還要求設計多層大空間(大于3層)，也就是所謂的“高位轉換”，在底部多層大空間結構中要求全部落地剪力墻在轉換層以下都不屈服是不經濟的，也是不恰當的。因此，對于底部大空間結構的“底位”和“高位”轉換，就應當采取不同的設計措施。

    帶轉換層的高層建筑沿高度方向質量和剛度都不均勻，在地震作用下的反應與均勻結構不同。而近年來，轉換層的設置越來越高，但是很少有人對帶高位轉換層的抗震特性進行過系統(tǒng)的研究。

    張?zhí)m英等人…通過對一l8層帶高位轉換層的框支剪力墻結構的商住樓的動力時程分析，研究了轉換層的設置高度、轉換層以下和以上結構的剛度、剛度比、層屈服強度等因素對建筑物的抗震性能的影響。

    2.1轉換層設置高度的影響

    采用彈性時程分析方法，其他條件不變，轉換層設在結構的3、5、7、9、11、13層時(剛度比γ=1.56)，結構周期的變化如圖2(a)所示，結構的總體結構沿層間側移包線、豎向各層側移包線、層間側移角包線比較如圖2(b)、圖2(c)、圖2(d)所示。可以看出：

    (1)隨著轉換層位置的提高，結構周期變長。結構自振周期變化的原因有二，第一，轉換層設置位置增高，由于下部大空間的要求，下部幾層層高比較大，結構的總高度變大，使結構的柔度增大，從而使結構的自振周期變大；第二，框支剪力墻結構在轉換層以下由于剪力墻數量減少，使結構的剛度減小，從而使整個結構變柔，導致結構周期變長。

    (2)結構的層側移、層間側移、層間側移角在轉換層的位置均有突變。       

    (3)當結構轉換層設置位置較低時，結構的最大層間側移并不在轉換層位置，而當轉換層設置位置較高時，轉換層的層間側移即為結構的最大層間側移。

    (4)轉換層設在結構的3、5、7、9、11、13層時，結構的最大層間側移角分別為1／1227，1／1149，1／1116，1／1421，1／1606，1／2015，均在規(guī)范規(guī)定的范圍內，且最大層間側移角均不在轉換層，雖然最大層間側移有的在轉換層，但由于轉換層層高比上部住宅層高大，其層間側移角并不是最大。

    (5)比較轉換層設在結構的3、5、7、9、11、13層時最大側移、最大層間側移、最大層間側移角可知，當轉換層設在7層時，其值都比設在其他層要大，轉換層設置位置由7層往上或往下，其值都逐漸減小，這說明轉換層設置在結構的中間位置較為不利。

    2.2轉換層以下和以上結構剛度的影響

    當轉換層設置在較低位置時，結構的剛度比減小，能夠減小結構在地震作用下的側移，改善結構的抗震性能。而當轉換層設置在較高位置時，結構的剛度比減小-，并不能減小結構在地震作用下的側移，t達不到改善結構抗震性能的目的。這是因為轉換層以下結構加厚落地墻肢，使剛度增加的同時，每層的質量也有所增加，這就使得結構所承受的地震作用也相應增加，當增加到一定程度后，結構剛度增加不再起主導作用，結果就造成結構側移的增加。

    通過加大轉換層以上剪力墻連梁尺寸，增大連梁剛度，可以使結構轉換層以上各層的層間側移減小，同時也使轉換層以下各層的層間側移加大，但對上部結構的影響明顯大于對下部結構的影響；連梁剛度的改變對結構的側移有影響，但影響不是很大，連梁剛度的增加，使結構頂點的側移減小。

    通過加大轉換層以下框支柱的截面尺寸，使框支柱的剛度增大，當轉換層設置位置較低時，能夠減小結構在地震作用下的側移，但當轉換層的設置位置高到一定程度時，就有可能使結構在地震作用下的側移增大。當轉換層設于7層時，框支柱剛度對結構在地震作用下的側移減小幅度為最大。

    此外，在高位轉換框支剪力墻高層抗震性能研究中，周福霖等人通過對深圳市長大廈進行比例為1／25的微粒混凝土模型模擬地震振動臺試驗以及 SAP2000有限元分析，得出的結論與上文基本一致。

    2.3轉換層減震措施

    在實際工程中，高位轉換短肢剪力墻結構抗震設計除遵循一般原則外，還應重視概念設計和構造措施，必要時可考慮采用安裝消能減震(阻尼器)裝置，當轉換層下一層為架空時更有利于采用。

    轉換結構宜采用梁式，以直接承托上部短肢剪力墻結構為佳，避免或慎用二級轉換；上部短肢剪力墻盡可能布置于轉換梁支座處，不使轉換梁跨中承受大的集中荷載；轉換層的剛度通常很大，自重亦大，地震反應大，除強度設計外，應重視其延性設計；試驗研究表明，受轉換層影響，轉換層以上1—2層較轉換層以下的各層的震害嚴重，是抗震設計的重點部位，這些部位的主要抗側力構件宜適當增大截面尺寸和提高配筋指標。

3、結  語

    目前文獻資料的一些研究都是針對一些具體結構進行的，雖然每個結構都具有一定的代表性，也得到一些共性，可提供一些設計概念，說明高位轉換是可行的，但是由于結構布置不同，有些結果還是有差別，特別是由于剛度，質量沿高度分布不均勻的程度，構件加強措施是否得當，均會引起變形，內力分配以及彈塑性地震反應的變化；類似結構的試驗研究也還不多，因此，對于高位轉換的底部大空間剪力墻結構這樣的復雜結構，可以做，但應當慎重設計。因此建議：

    (1)由于高位轉換時剛度和質量較大的轉換層升高，調整轉換層本身及其上、下的剛度比使之接近是必要的，轉換層本身的剛度和質量不宜大，最終可通過水平力(靜力)作用下精確的空間分析檢查轉換層附近的層間位移角是否基本均勻。

    (2)宜盡量選用剛度和重量較小的轉換層結構形式，計算時應多取參與組合的振型數。

    (3)通過計算仔細分析可能存在的薄弱部位，

研究具體的內力分配特點，通過調整內力和構件配筋設計改善薄弱部位的性能。

    (4)在高層建筑中，高位轉換的底部大空間剪力墻結構宜進行彈塑性計算(彈塑性靜力分析或時程分析)，以檢驗大震下的塑性及分布規(guī)律和層間變形，來保證結構在大震下的安全。

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(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)