高层建筑型钢混凝土转换结构的设计

郭勇勇（广东省建筑设计研究院，广东　广州　510010）



高层建筑型钢混凝土转换结构的设计

郭勇勇（广东省建筑设计研究院，广东广州510010）

高层建筑转换层是一种基于主体框架以转换层上下结构的刚度突变形式，竖向结构构件呈非连续状态，受力极为复杂，在承受强烈地震作用情况下，转换层会承载较大的内力荷载并产生塑性变形现象，由此引起结构尺寸变大，严重制约建筑物发挥使用功能。因此，笔者将在本文中以满足建筑结构抗震和基本使用需求的前提条件下，阐述高层建筑型钢混凝土转换结构的设计，保证建筑结构抗震指标和优化转换构件的外观尺寸。

高层建筑；型钢混凝土；转换层；结构设计

一般地沿街高层建筑，底部基层主要作为商业用房，受限于高层剪力墙结构会严重制约商用功能，因而通过设置结构转换层，可减少普通剪力墙结构的部分弊端。而型钢混凝土转换结构的应用，又可优化结构转换层的外观尺寸。型钢混凝土转换结构设计须达到高层建筑结构的基本受力要求，还需达到建筑结构设计的其他相关规定。设计计算高层建筑整体结构，转换结构侧向的刚度要求符合既定规范，且须保证建筑结构在收到强烈地震作用下的位移与扭转情况效果良好，内部构造布置合理。除此以外，仍需进一步强化高层建筑转换结构的分析与计算，并做好相应的型钢混凝土节点处理工作。以下，即以某工程实例设计说明。

1　高层建筑转换结构阐述

同个高层建筑物，顺着建筑高度方向其不同层的使用功能可能有所不同，比如底层商用层往往需要较大的使用空间，墙体少且柱体半径大；中层办公层需要中等大小的使用空间，可于柱网内设计部分墙体；上层生活层，则布置较多墙体和小径柱网。从结构设计层面讲，底部商用层多采用框架结构、中部办公层采用框剪结构和底部生活层采用剪力墙结构。因此，为满足同一高层建筑物内三种不同结构型式的设计，须于两种不同结构体系之间布置水平转换结构，也就是本文所讲的型钢混凝土转换结构设计。通常，高层建筑物的底部楼层于竖直方向的结构体系从型式上看与上部楼层的结构型式差异较大，须在二者之间设计结构转换层。

1.1转换结构的分类

（1）上下结构类型的转换。剪力墙与框剪结构内，底部楼层为使用空间较大的商用层或其他公共空间，可将剪力墙结构利用转换结构使之转换为框架结构，从而保证底部楼层内的使用空间变大，此种应用下部框架结构来承载上部剪力墙结构的型式称之为框支剪力墙。

（2）上下结构的轴线转换和柱网转换。筒中筒结构内，外框筒设计为密柱深梁，导致建筑物没有较大的出入口。针对此种情况，可以通过外框筒的周边柱线来设计转换结构，从而扩大下部层柱网的布置间距，构成大径柱网即可满足基本的出入口需求，然而其上下结构类型并未出现变化。

（3）上下结构类型与柱网均转换。框支剪力墙结构内，上部楼层通常为生活层，多采用平面组合轴线剪力墙结构，下部楼层则多为商用层，可设计大空间轴线布置框架结构。该体系不但在上下结构的类型方面有所不同，且上下的轴线和柱网也发生了变化，利用结构转换层可良好传递荷载。

1.2转换结构的型式

基于转换结构的基本定义，高层建筑上部楼层与基础工程也可实现转换，钢筋混凝土梁式、筏型基础、带形基础等形式均可在建筑主体结构上完成转换。梁式转换拥有传力简单和受力明确的特点，通常被应用在底部空间较大的剪力墙结构内，目前应用较为常见。转换梁构件自纵向或横向平行方向合理设计，如纵横两向均需转换，即可选用双向梁的设计方案。当出现上下结构柱网与轴线错开较多的情况，无法通过梁构件来承载，即可将其设计为厚板构件，从而构成板式转换结构。板式转换结构的下部楼层的柱网布置较为灵活，且施工便利，但仍然存在自重较大和材料消耗量过大的缺点。梁式转换结构则于大跨度转换梁构件中较为适用，但梁式转换不能适用于大型管道系统，主要原因就在于它不利于建筑空间的最大化利用。因此，我们也可采用桁架转换的型式来取代梁式转换，它具有受力好、结构自重轻和可充分利用适用空间等优点，然而施工方面则更为复杂。桁架转换层通过单向拖梁或双向拖梁与厚板一并工作，可共同构成大刚度箱型转换结构，可通过上下层楼板与剪力墙结构共同工作。

2　工程概况

某高层建筑总建筑高度78m，主体长约28m，最大宽度约16m，地下结构为1层，地上结构为25层。地下层作为停车场，层高约为5.6m，地上结构1～3层作为商用层，底部楼层高约4.4m，2～3层高约3.9m。4～4层以上作为生活层，标准层高约3m。本建筑物部分楼层采用框支剪力墙结构，4层设置框支转换结构。本建筑抗震设计等级为丙类，结构安全设计等级为二级，抗震设防烈度为Ⅶ度，基本的地震加速度为0.15g，地震分组为第一组，阻尼比0.05，场地土质类别为Ⅱ类，地面粗糙度A，五十年一遇风压约为0.8kN/m2，一百年一遇风压约为0.88kN/m2。按照《建筑抗震设计规范》和《高层建筑混凝土结构技术规程》的要求，本建筑的框架结构的抗震等级1级，剪力墙结构的抗震等级2级。

3　基础设计

按照地质勘查报告来看，本项目施工现场地势较为平顺，基础土方多分布杂填土、粘性土和岩层，由地质特性来划分土层的基本情况如下：

（1）杂填土：极限摩阻力为35kPa；

（2）素填土：极限摩阻力为28kPa；

（3）粉质粘土：极限摩阻力为85kPa；

（4）残积砂质粘性土：极限摩阻力为75kPa，极限端阻力6500kPa；

（5）全风化花岗岩：极限摩阻力为95kPa，极限端阻力7500kPa；

（6）砂砾状强风化花岗岩：极限摩阻力为120kPa，极限端阻力11000kPa；

（7）碎块状强风化花岗岩：极限端阻力13000kPa。

按照本项目施工现场地质情况来看，地下基础采用静压预应力高强混凝土管桩形式 （PHC），设计桩长为2030米的PHC500-125-AB型管桩，持力层为全风化花岗岩以下部分，管桩进入持力层不低于2m。经计算与分析，单管桩的承载力特征值约为2300kN，承台的厚度约为1800mm。我们也可考虑部分的框支柱选用型钢混凝土结构型式，局部承台厚度设计3Hs+700mm。

4　转换结构设计计算与分析

建立科学的PKPM系列软件SATWE程序的中国研究院的计算和分析，审查和使用PMSAP软件。根据地震力的计算，X，Y两个方向，0.95周期折减系数，根据风荷载计算X，Y两个方向，扭转耦合和刚性区域，采用刚性楼板假定位移计算分析。传输层定义为薄弱层，通过调整系数0.2q剪切层与层架下方。的刚度放大系数为2，1.5边梁，梁刚度折减系数为0.8，计算了30种模式。内力组合，恒载分项系数1.2，活荷载分项系数1.3系数1.4，地震荷载分项系数1.3，风荷载系数1.4，在最大长度壳单元控制墙元细分。在特定的构件中定义为框架抗震等级。基础混凝土强度等级为C40四层墙柱上，梁板为C30；47层墙柱混凝土强度等级C35，梁板C25；七层以上的混凝土墙梁柱C30强度等级为C25，建筑板。1～3层为商业用途，因此它需要的是上部剪力墙结构的一部分，用于商业用途的转换。要求框架柱、框架梁的尺寸不宜过大，而剪力墙结构可以设置沿纵向相对较少，多集中在东部和飞机的西侧，与裙房连接山墙由于需求，剪力墙山墙也需要转换，所以平面刚度相对薄弱。削弱结构的整体刚度。钢筋混凝土框架柱梁的计算结果框架柱尺寸过大，影响了商用功能，框架梁的高度过高，建筑高度明显不合理，从而影响到整个商业使用质量。根据SATWE程序序列特异性的试验结果，在柱箱与箱梁钢筋混凝土（SRC）。经过重新调整，周期内的值、位移值和基底剪力重比均在规定的范围内，也满足框架柱的轴压比小于0.6，框支梁柱的尺寸明显优化。框架柱截面尺寸的800×800，框支梁的尺寸700×1200。在SATWE总体分析和规范要求计算是满意的，和其他采用PMSAP程序分析和回顾，其结果符合要求规范（见表1～2）。

表1　数据模型周期计算结果

表2　剪重比、最大层位移比计算结果

5　框支转换结构的设计及优化

带转换层的高层建筑结构，转换层结构和层筒壁，主要结构的应力集中，复杂的框架，这个项目除了采用SATWE计算结果框构件设计、墙配筋计算软件剪切有限元框架（FEQ），以框支层下一层和上三层复核框支层之上的剪力墙、转换构件，并结合二者的复核结果设计相应构件。同时根据构件的弯矩和剪力的计算结果，根据实际情况，钢框架梁柱尺寸的钢翼缘和腹板厚度优化的类型，使用bh400×300×10×20型钢框架柱箱、中型钢柱从框架层到基础框架的支撑钢梁的h900×300× 10×25。除计算上述结构的调整外，还采取以下措施提高整体变形能力的整体协调能力。使用180mm转换层楼板厚度，采用双层双向配置钢筋混凝土楼板，控制最小配筋率为0.25%，在转换层相邻的每一层都用120mm厚板，板的配筋也采用双层双向配筋。在底部的剪力墙，加强区域，根据抗震等级要求加强。

6　结束语

综上所述，经阐述某高层建筑转换结构设计的计算与分析过程，笔者了解到高层建筑转换结构的设计与优化需要满足多方面的要求，既有外观造型要求，也有使用性能要求；既有结构体系合理布置的要求，又有满足结构安全性的要求。在设计计算与分析过程中，我们需要充分考虑必选多个振型，保证其有效质量系数不低于90%，从而确保设计结构的扭转效应最小。与此同时，不同力学模型的抗震计算往往需要一整体计算控制为前提条件，在整体计算控制的前提下还必须辅以转换层结构的有限元分析。

［1］傅学怡.实用高层建筑结构设计［M］.中国建筑工业出版社，2010.

［2］佟道林，习朝位，李继光.带转换层双塔楼连体高层建筑结构模型振动台试验研究［J］.高层建筑抗震技术交流会，2014（08）：45～47.

［3］钱稼茹，吴美良，方小丹.带高位转换层高层建筑的模型振动台试验和结构分析［J］.中国土木工程学会土木工程结构试验与检测技术暨结构试验课教学研讨会.2006.

［4］高向宇，周福霖，罗学海.带有转换层的大底盘多塔楼结构模型振动台试验研究［J］.建筑结构，2011（15）：112～115.

所获荣誉及奖励：2015年度第九届全国优秀建筑结构设计三等奖。

郭勇勇（1985-），男，建筑结构师，本科，主要从事建筑结构设计相关工作。

TU973

A

2095-2066（2016）12-0143-02

2016-4-11