探索超限高层建筑主次梁转换层结构的设计

王凯

1 引言

随着国内经济社会水平的不断提升，城市人口数量急剧增多。在进行城市规划工作中，对于空间规划有了更高的需求，这一期间城市中高层建筑的数量明显提升。在进行高层建筑结构的设计过程中，由于建筑的层数较多，并且结构具有较大的系统性、复杂性，因此在进行设计工作时要对多方面的因素进行综合考虑，同时还要对结构各部位的受力情况进行严谨的分析，对于相关参数的选取要经过仔细的分析、研究，进而提升高层建筑结构设计的安全性、可靠性。

2 转换层结构的定义

一般来说，建筑工程上下部结构在使用功能方面会存在着较大的差异。对于结构转换层来说，该楼层的上部和下部采用不同的结构类型，并且通过转换层的设计，可以进行建筑结构方面的转换。根据结构功能的不同，可以将转换层大体分为两类：①上层与下层结构类型的转换。这一类型的转换层多用于剪力墙结构以及框架－剪力墙结构中，同时通过转换层的应用可以把上部剪力墙转换成下部的框架，这样一来就可以创造一个较大的内部自由空间；②上、下层的柱网、轴线改变。虽然转换层的上部、下部结构形式没有发生改变，但是通过转换层的使用，可以使下层柱的柱距进一步扩大，进而可以形成大柱网。也就是说上部楼层剪力墙结构通过应用转换层，可以进一步改变为框架结构，并且柱网轴线和上部楼层之间的轴线是错开的，进而可以形成上下结构不对齐的布置状况。

3 结构选型以及结构布置的分析

3.1 框架剪力墙的结构设计原理

由于受到使用功能方面的需要，建筑的底层结构一般需要较大的自由空间，因而经常采用框架剪力墙结构；建筑中层通常应用剪力墙结构进行过渡，但是对于较高楼层来说，它的内力传递需要经过转换构件。如果采用厚转换形式，它的传力路线质量大，并且受力较为复杂、不清晰，这就造成了转换层附近构件应力集中的问题。同时，由于受到造价费用的影响，因而现阶段多采用主次梁转换。

3.2 相对应转换梁结构设计

由于超限高层建筑的主次梁结构有着较多的优势，比如说施工过程较为简单、受力明确，并且设计施工过程中开设的洞口大多在转换梁受力较小的部位，因而这一结构能够满足建筑设施的管线布置以及建筑使用功能等方面的要求。在进行转换梁的结构设计过程中，要针对具体的工程建设状况来进行设计，进而提升超限高层建筑的稳定性与安全性。

4 超限高层建筑主次梁转换层结构设计

4.1 延性剪力墙的设计

在进行剪力墙的剪应力设置过程中，对于剪应力水平结构的设置要参考实际工程的基数进行确定。超高高层建筑中的转换层结构，其剪力墙在一般的地震状况下水平剪应力为0.025。对于转换层结构上层楼层的剪力墙来说，其剪应力相对较小（0.017）。因此，为了保证在一般地震状态下建筑内部的剪力墙结构不发生剪切破坏。因而在进行项目设计过程中，要采用弹性态下的水平地震作用增大系数的方法进行转换结构的设计。对于这一设计方法来说，其主体思路为：如果建筑工程结构在罕遇的地震条件下仍处于弹性状态，那么要根据一般规范对罕遇地震以及多遇地震的水平地震影响系数进行合理的取值，这一过程中一般会取最大值αmax，这样一来可以扩大多遇地震条件下的水平地震作用效果。同时，设计过程中还要将材料分项系数取为1.0，荷载分项系数也要取为1.0。在对内力结构进行设计时，要确保G+βT=R+6.95E。其中，式中的G表征重力荷载作用一般值，R表征多遇地震条件下，水平地震影响下的标准值。应用这一方法进行设计时，可以确保罕遇地震作用下，超限高层转换层的剪力墙可以承受最大的剪应力为0.146。这样一来，能够保证在罕遇地震的条件下，剪力墙不会出现剪切破坏等一系列的问题。

4.2 风力负荷载重和地震作用下超限高层层间位移角的控制

在地震荷载的作用之下，要确保超限高层建筑工程的稳定性和安全性，就要严格按照相关规定做好地震基底剪力以及重力荷载的取值工作。同时，设计过程中还要在一定程度上对建筑结构层的底部加强区域剪力墙进行控制，并且要对其他部位的剪力墙以及框架支柱、非框架支柱的轴压比进行合理的控制。

4.3 转换层楼板平面内的刚度控制

在进行高层建筑的施工工作时，大多的楼板是采用现浇混凝土的方式进行施工。一般来说，施工过程中楼板的厚度在200mm左右。这一过程中，要控制好转换层下层楼板平面内的刚度要求，提升转换层的性能。同时，还要对楼板的厚度进行严格的控制，大多数的转换层下层楼板的厚度主要为150mm左右。从结构的布置方面来看，设计过程中最好要确保转换层楼板的对称性能，同时还要控制好薄弱部分楼板的厚度，并且要对配筋密度进行严格的控制。

5 案例分析

5.1 工程概况

某超限高层建筑工程位于广州市某地，施工现场呈长条型布置。建筑的总体面积达到了125456m2。其中，地上部分的面积占到了112520m2，地下部分的面积是12951m2。设计过程中，严格按照广州市规划局以及相关开发商的要求进行，该建筑此主要以商品住楼为主，同时还包含一些办公楼。该工程地下部分是两层，地上部分有31层。该工程的第一层为商场，第二层以及第三层作为办公使用，第四层就是会所并且还是建筑的结构转换层，因而对于空间的要求较大，设计过程中主要采用框架剪力墙的结构。建筑的5到31层是住宅。设计过程中，由于考虑到厚板转换的受力较复杂，并且质量大、造价高，因而采用了主次梁转换设计，图1为转换层结构平面布置图。

图1 转换层结构平面布置图

5.2 主次梁转换层结构设计分析

就该工程来说，属于丙类的建筑群，并且抗震设防烈度为Ⅶ度。设计过程中，基本地震的加速度值取为0.1g。建筑地面的粗糙度是C类，并且建筑体形系数μs取为1.4。设计过程中，应用PMSAP进行楼板应力大小的分析，并且对结构的自振周期以及剪重比、基底等相关参数进行设计。另外，设计过程中为了避免出现薄弱层，严格按照《高规》中附录E要求进行楼层侧向刚度的控制。在进行该工程转换层结构设计时，转换层上一层的剪力墙厚度为200～350mm，混凝土强度等级为C55。对于转换层以及下部的结构来说，其剪力墙的厚度应加大为700mm，采用的混凝土为C60等级。另外，该超限高层建筑工程的转换层和上层结构的等效侧向刚度比γe是X向于Y向分别是0.9032和0.9125，对于这一数值符合《高规》中的相关规定。在进行结构平面布置工作时，对于扭转进行了重点的考虑，下表1为该工程指标对比分析状况。

5.3 超限高层建筑主次梁转换层的结构设计要点

根据我国建设部颁布实施的《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》中的相关条款与规定，该工程属于超限高层建筑。在设计过程中，为了提升建筑大空间的使用需求，同时为了满足裙房刚度方面的要求，设计过程中对于上下结构的侧向刚度比进行了严格的控制。这样一来，能够避免建筑沿竖向刚度变化太过悬殊的问题。严格控制转换层上下结构的侧向刚度比。设计过程中，为了确保一定比例的剪力墙落地，因而通过加大落地剪力墙厚度的形式来提升落地比例。同时，设计中也对落地剪力墙的混凝土强度等级进行了良好的控制。设计时降低了洞口的尺寸，并且确保纵横墙连接，进而可以形成一个筒体结构。对于转换层楼板平面内的整体性以及侧向刚度的控制来说，主要使用现浇混凝土楼板的方式进行把控，并且板厚值取200mm。另外，对于转换层上一层以及下一层的楼板平面内刚度进行了研究，并且将板厚确定为150mm。该建筑的结构布置采用左右对称的方式，并且在一些薄弱部位，对楼板进行了加厚处理，同时对于楼板的配筋问题也进行了考虑。

6 结束语

进入21世纪以来，伴随着国内建筑行业的快速发展，主次梁结构转换层在超限高层建筑中得到了广泛的应用。在进行转换层结构设计工作时，设计人员要对施工现场的具体情况进行全面的分析与研究，并控制好设计工作的关键环节，不断建筑结构安全性、可靠性与耐久性，促进我国建筑行业的健康、长远发展。

表1 采用SATWE与YJK计算的工程指标对比分析

[1]祝伟昌，刘代平.浅谈转换层结构设计和施工[J].广西大学学报，2012（9）：59～61.

[2]《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[3]赵恒晶.带高位转换层的框支剪力墙结构静力弹塑性分析[J].结构工程师，2011（4）：45～46.

[4]钱佳茹，赵作周，叶列平.高层建筑结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2012.