實例分析高層住宅轉換層結構設計

褚薇

摘要：隨著高層建筑高速發展，建筑結構設計朝體型復雜、功能多樣的綜合性方向發展，因而相應的結構形式也復雜多樣。文章主要結合某工程實例，針對高層住宅的轉換結構設計、結構計算等幾方面的設計要點進行了研究，從中不斷地提升建筑物結構設計的合理性、耐久性及安全性。

關鍵詞：高層建筑；轉換層；上部結構；框支柱設計

1 工程概況

某工程采用框支剪力墻結構，地下1層，地上33層，建筑高度為99.70m。地下室作為停車庫，1～3層為商場；第4層為設備轉換層；5層及以上為住宅樓。當地抗震設防烈度為6度，場地土類別為Ⅱ類；按100年重現期計算的基本風壓值0.35kN/㎡，地面粗糙度C類。

2 上部結構設計

2.1抗震等級的確定

根據建筑平面使用功能要求，采用框支剪力墻結構形式。轉換形式為梁式轉換，轉換梁板位于4層頂，為高位轉換層建筑?？拐鸬燃墳榭蛑Э蚣芤患?，剪力墻底部加強部位一級，剪力墻非底部加強部位三級。建筑結構安全等級二級；設計基準期50年；結構設計使用年限50年。

2.2 上部與下部結構的調整

本工程的結構設計特點在于根據建筑功能要求設置的設備層層高僅為3m，使得轉換層的側向剛度均較大于相鄰以下三層和相鄰上層的側向剛度，從而在結構計算分析中需解決以下問題：

2.2.1 如何使高位轉換時轉換層上部與下部結構的等效側向剛度比滿足《高規》附錄E的要求；

2.2.2 一層～三層的各層側剛度比（本層側移剛度與上一層相應塔側移剛度70%的比值或上三層平均側移剛度80%的比值）需滿足《抗規》表3.4.3-2規定；

2.2.3 經計算分析，最大轉換梁截面為1300x2500，最小為1000x2000，形成框支柱的剪跨比小于1.5。根據《高規》第6.4.2條注3，剪跨比小于1.5的柱，其軸壓比限值應專門研究并采取特殊構造措施。

由于本工程的一層～三層作為商場，業主要求盡可能的減少上部住宅的落地剪力墻數量，以保證使用空間，給結構設計增大難度。為保證主體結構豎向剛度均勻，使轉換層上下剛度接近，避免剛度突變形成薄弱層并且滿足《高規》附錄E第E.0.2條和公式規定，抗震設計時等效側向剛度比宜接近1.0且≤1.3。因此采取以下措施解決上述的問題，具體措施包括以下幾個方面：

（1）轉換層上部在剪力墻滿足《高規》規定的各項控制參數前提下，盡量減少數量，增大結構洞口，降低連梁高度，以減少上部樓層的側向剛度。

（2）與業主和建筑專業協商降低一～三層的層高，由原層高5.1m，4.2m，4.2m改為4.8m，3.9m，3.9m；以增大轉換層下部各層的側向剛度。

（3）增大轉換層以下各層墻體厚度。轉換層以下各層均按一層厚度取值為350～450mm厚，轉換層減小為300mm厚，上部為200～250mm厚，避免剛度突變；在一～三層周邊將部分磚墻改為剪力墻（新增，與上部剪力墻不對應）以提高剪力墻的數量并增大側向剛度。

經調整后，轉換層上、下剛度比均滿足《高規》附錄E的要求；一～三層的各層側剛度比亦滿足《抗規》表3.4.3-2規定。

2.3 設備轉換層的設置

為避免出現剪跨比小于1.5的框支柱，對設備轉換層的設置提出多個結構方案進行比較：

設備轉換層采用輕鋼結構體系，在主體結構完成后再施工；不考慮該層參與主樓的整體計算分析。則轉換層的實際層高為6.9m。經計算分析，轉換層的側向高度在保證建筑功能要求的前提下無法滿足 《高規》附錄E第E.0.2條中 “當轉換層設置第二層以上時，計算的轉換層與其相鄰上層的側向剛度比不應小于0.6”。

直接加高設備層層高為4.6m以滿足框支柱剪跨比大于等于1.5。這樣，建筑總高度大于100m，無法實現。

確定設備轉換層層高為3m。對剪跨比小于1.5的框支柱采取特殊構造措施。這樣，最終采用方案。

由于目前國內并沒有對剪跨比小于1.5的框支柱進行專門研究的規范和資料，因此結構設計時采用幾點措施來提高框支柱的抗震性能和延性：（1）軸壓比限值降0.1，對于一級抗震的框支柱取0.5；（2）框支柱截面中部設置芯柱；（3）在框支柱內增設交叉斜筋；（4）增大框支柱的配筋率和配箍率。

3 結構計算分析

通過采用SATWE和PMSAP兩個不同力學模型的結構分析軟件進行整體內力位移計算分析，計算時按結構不規則且同時考慮雙向地震作用和平扭藕連計算結構的扭轉效應。采用彈性時程分析法進行補充計算——根據建筑場地類別和設計地震分組選用了兩組記錄地震波和一組人工模擬地震波進行計算對比。

剛重比大于1.4，能夠通過《高規》第5.4.4條的整體穩定驗算；

剛重比大于2.7，可以不考慮重力二階效應。

通過以上數據顯示，計算結果正常，各項參數均滿足《高規》條文要求，結構設計能達到“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設防目標。

4 框支柱設計

框支柱截面尺寸主要由軸壓比控制并滿足剪壓比要求。為保證框支柱具有足夠延性，對其軸壓比應嚴格控制。

4.1 該工程框支柱抗震等級為一級，軸壓比不得大于0.6，對于部分因截面尺寸較大而形成的短柱，不得大于0.5。柱截面延性還與配箍率有密切關系，因而框支柱的配箍率也比一般框架柱大得多。箍筋不得小于φ10@100，全長加密，且配箍率不得小于1.5%。

4.2 在工程中，個別框支柱還兼作剪力墻端柱，所以還應滿足約束邊緣構件配箍特征值不小于0.2的要求，折算成配箍率（C55混凝土）即為1.82%?？蛑е鶠榉浅Ｖ匾臉嫾?，為增大安全性，對柱端剪力及柱端彎矩均要乘以相應的增大系數，每層框支柱承受剪力之和應取基底剪力的30%。因為程序計算時，一般假定樓板剛度無限大，水平剪力按豎向構件的剛度分配，底部剪力墻剛度遠大于框支柱，使得框支柱分配的剪力非常小。然而考慮到實際工程中樓板的變形以及剪力墻出現裂縫后剛度的下降，框支柱剪力會增加，因而對框支柱的剪力增大作了單獨規定。

5 結束語

近年來，隨著我國經濟的持續快速發展，人們對高層建筑的功能要求趨向于多樣化、綜合化和全面化。為較為最常見的形式以上部為小開間的民用住宅，下部為大開間的商場或公共娛樂場所。從建筑功能上看，高層建筑上部需要較多的墻體來分隔空間以滿足住宅戶型的需要；而下部則希望有較大的自由靈活空間，大柱網、少墻體，以滿足公共使用要求。然而，按照這樣的建筑形式進行結構布置時，上部墻體多而密，下部柱網少而稀，即剛度上大下小。這與常規的結構豎向布置的原則正好是相反的。為了滿足建筑要求就必須在上下不同結構體系轉換的樓層設置轉換層。于是，帶轉換層的建筑結構孕育而生，并在近年來得到較為廣泛的應用。

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