带转换层高层转换构件设计及抗震性能研究

黄文生

1 引言

现阶段，随着我国建筑行业的不断发展，由传统的大规模校区开展逐渐发展为小规模的几栋建筑物组团开发的形式，由原本单纯的住宅加公共配套设施转变为商业和住宅一体化的模式。为了适应这种转变的需要，要求建筑物商业的部分跨度、高度更大，灵活性更高，住宅的部分要求具有更加明显的分区，保证各套住宅之间的独立性。因此，带转换层高层建筑受到人们的广泛欢迎。

2 转换层概述

转换层是指设置转换结构构件的楼层，包括水平结构构件和下部的竖向结构构件，不仅包括转换楼板、转换梁等水平构件，也包括以下的框架柱和剪力墙等构件，图1为转换层示意图。

图1 转换层示意图

现阶段，将转换层分为梁式转换、厚板转换和桁架转换三种形式。

（1）梁式转换层。该形式因其设计难度较低、梁式转换受力较为明确，是高层建筑中较为常用的一种转换层类型。当转换层的上下结构布置较为规整，且上部结构竖向构件和下部结构竖向构件的轴线相互重合或者非常相近时，采用梁式转换。

（2）厚板转换层。厚板转换是指将上部塔楼的竖向构件直接支承在厚板上，运用该种方式使得上部的塔楼结构设置更加灵活。适用于竖向结构错位较大的情况。

（3）桁架转换层。桁架转换层的受力情况和梁式转换相似，是加强版的梁式转换，当所要支承构件的中心线和上弦杆的中心线错位较小时，可采用桁架转换。桁架转换也分为多种形式，例如钢桁架、斜杆桁架以及空腹桁架等，具有良好的抗震性能。

3 工程概况

某高层建筑总高度为98m，其中包括住宅23层和裙楼4层，A塔和B塔采用对称设计。塔楼的主要用作住宅，为了保证塔楼住宅的规整性、私密性和视觉效果，采用纯剪力墙结构。裙楼主要用于商业活动，为了满足商业灵活性的需要，应该设置成大开间，采用纯框架结构。为了实现塔楼和裙楼结构之间的转换，应该在该高层建筑中设置转换层，根据相关标准和要求，将该高层建筑的转换层设置在第五层的位置。

4 带转换层高层转换构件设计

4.1 转换梁设计

从受力方面来说，转换梁和一般的框架或者次梁之间具有本质的区别。根据构件的分类可知，一般梁分为压弯构件，即主要承受压力和弯矩。在建筑结构方面，框架梁的主要作用是和框柱形成一个整体，从而进行传导荷载，次梁主要用于承受上一层楼的墙体荷载。

转换梁的主要作用是支承上部的结构构件，并不是形成框架或者承受砌体墙荷载。该工程的转换梁主要承受上方剪力墙直接传递来的线荷载，也可以看作是集中力。所以转换梁的荷载并不是弯矩，而是剪力。转换梁的弯矩图较为接近直线，与一般梁弯矩图的曲线不同，十分接近简支梁在集中荷载作用下的弯矩图的形状。

该工程转换层以上的住宅为23层，转换梁承受较大的荷载，因此，应该通过增加梁高和梁宽度的方式，不断的提升其承载力。该工程上部的剪力墙支承在转换梁上，在支承的附近有较为明显的应力集中现象，最大内力出现在支承处和支座位置。因此，本工程在建立完成梁式转换层以后，在构件错位处布置好刚性杆，然后调整相应的参数，将相应的楼层设置为转换层后，将相应的梁设置成转换梁后，通过相应的软件进行计算即可。

4.2 转换厚板设计

若本工程采用转换厚板设计，那么相对于梁式转换来说，具有更高的复杂性。这是由两个方面的原因决定的：①由于在进行有限元分析时，混凝土楼板较混凝土梁更加复杂；②厚板转换本身的受力不合理，传力路径比梁式转换更加复杂。因此，本文对转换厚板设计从以下三个方面，进行简要的分析。

（1）进行有限元分析，通过对只计算自重、附加恒载以及活载时的挠度值，分析和判断模型的准确性。

（2）利用结构设计软件，对厚板抗冲切、剪切等问题进行复核。

（3）通过进行建模分析，对楼板最大的应力和应变值进行复核，判断其是否超过应力和极限应变。

5 抗震性能研究

5.1 地震的成因

地震的成因分为构造地震和非构造地震两种，构造地震就是指由于地区内部的岩层构造发生错动而产生的地震，地球响超过90%的地震都是构造地震。非构造地震是指由于火山爆发、岩层坍塌或者抽水注水等引起的地震，该种地震发生的频率较小，影响范围相对构造地震来说也较小。本文主要研究构造地震下的带转换层高层建筑的抗震性能。

5.2 地震波、震级和烈度

5.2.1 地震波

地震波是指从震源位置产生并向四周辐射的弹性波，当地震发生以后，震源区的介质将会发生急速的破裂和运动，这种波动现象将会形成一个波源。受到地球介质连续性的影响，这种波动会向地球内部和表层的各个方向传播，从而形成弹性波。根据传播方式，将地震波分为纵波、横波和面波三种，纵波是推进波，在地壳中的传播速度为5.5～7km/s，会使地面发生上下振动，破坏性不强。横波是剪切波，在地壳中的传播速度为3.2～4.0km/s，使地面发生前后左右的抖动，具有将强的破坏性。面波是纵波和横波在地表相遇以后形成的混合波，是导致建筑物强烈破坏的主要因素。

5.2.2 震级

震级是指地震规模的大小，地震越大，震级的数字越大，现阶段世界已知的最大震级为9.5级。震级和烈度不同，震级表示地震本身的强弱，与震源发出的地震波能量相关，震级越大的地震，释放越多的能量，震级越小的地震，释放的能量较小。我国一般采用里氏震级，小于2.5级的地震为小地震，在2.5～4.7之间的地震称为有感地震。震级每相差1.0级，能量相差大约30倍。

5.2.3 烈度

地震烈度是指地震对地面和房屋建筑物受到影响的破坏程度。同一地震，不同地区受到地震影响的破坏程度不同，地震的烈度也不相同。可以根据人的感觉或者物品的振动破坏情况，判断烈度的大小。一般情况下，距离震源越近，破坏绝大，烈度较大。

5.3 抗震设计基本要求

对于地震烈度大于Ⅵ度的地区，应该根据《建筑抗震设计规范》进行抗震设计，在确定抗震设计标准时，如果标准较高，将会提升建筑物的造价，如果标准较低，将会导致建筑物的安全性不够。因此，我国利用根据建筑物的重要性分类以及三水准设防和来那个阶段设计的抗震设计基本要求。三水准是指小震不坏、中震可修和大震不倒。

（1）在第一水准小震不坏烈度下，建筑结构处于正常的使用状态。

（2）第二水准中震可修的烈度为基本烈度，在此种情况下，建筑结构处于非弹性工作阶段，需要在可修复范围内。

（3）第三水准大震不倒，为罕遇烈度，在此种情况下，建筑结构具有较大的非弹性形变，但不会出现倒塌。

通过以上分析可知，在建筑结构的中间位置设置转换层以后，建筑结果的竖向构件被打断，上部的荷载必须先传递到转换层的构件之上，再通过转换层构件向下传递，传力不合理。因此，必须做好该高层建筑的大震弹塑性变形验算。

5.4 抗震性能研究方法分析

现阶段，存在以下三种建筑物的抗震性能分析研究方法：①小震和中震弹性分析，也称为反应谱分析法。②大震弹塑性分析的静力弹塑性分析方法，也成为精力推覆分析法。③大震弹塑性分析的动力弹塑性分析方法。一般的建筑物只需要采用第一种方法，即反应谱分析法，对于高度较大且竖向和平面布置不规则的建筑，不仅应该采用第一种反应谱分析法，还应该进行大震弹塑性分析的静力或者动力弹塑性分析方法。

6 结束语

综上所述，随着现代建筑行业的不断发展，带转换层高层建筑将会越来越普遍，这对转换层的设计提出了更高的高求。对此，本文分析了带转换层高层转换构件设计及抗震性能的研究分析，为带转换层高层建筑的设计提供了一些建议。

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