转换层复杂高层结构设计探讨

董建超 常跃州

河南科兴建设有限公司（450000）

多功能的高层建筑，往往需要沿建筑物的竖向划分为不同用途的区段，如底部商业上部住宅。

因建筑功能需要，下部为大空间，上部部分竖向构件不能直接连续贯通落地而通过水平转换结构与下部部分竖向构件连接构成的高层建筑结构为带转换层的高层建筑结构。

带转换层高层建筑结构由于上下层竖向构件不连续，结构竖向刚度发生变化，转换层上下楼层构件内力、位移容易发生突变，对抗震不利。由于底部刚度减小，因此震害下部较严重，同时由于竖向刚度的差异也会使上部楼层的震害加重，特别是与转换层相邻的楼层震害也较为严重。对于等强度结构，各楼层的屈服强度系数大致相同，因此地震作用下的各楼层层间侧移大致相等，所吸收的地震能量沿高度分布比较均匀，各层的输入能量和吸收能量处于稳定平衡,而带有柔弱底层的多层建筑,由于底层的刚度和强度均较低，底层的屈服强度系数比上面各层小得多，因而地震作用下房屋的侧移大部分集中于底层,上面各层的侧移减小，本该由上面各层吸收的地震能量,很大一部分转移到底层，以致底层需要吸收的能量超过其最大允许变形所能吸收的能量，其结果是底层严重破坏甚至倒塌。

因此设计时应从结构体系方面、构件布置方面、结构计算方面及配筋构造方面采取一定的抗震措施才能保证这种结构形式的抗震性能。

1 结构体系方面

由于该种型式的建筑物属于竖向不规则体系，因此应尽量使建筑物平面形状，刚度对称，均匀。在转换部位设计上，应考虑高位转换对建筑物的不利影响,转换层位于地面以上的层数，8度时不宜超过3层，7度时不宜超过5层，北京、上海、深圳等地比较早积累了高位转换的设计经验,不同的转换部位，采取不同的技术措施，设计时可以参考借鉴。

2 构件布置方面

需注意各构件的抗震布置要求，并应减少扭转的影响。首先，落地剪力墙的布置十分重要，落地剪力墙应加厚，并减少开洞，洞口应布置在墙体中部，同时墙体布置应均匀对称，以减少扭转影响。框支柱的布置应满足一定的要求，以保证地震力可靠地重新分配。抗震设计时其截面尺寸应大于框支梁跨度的1/12，对于异形框支柱设计时应注意采取一定的抗震措施。框支层楼板的布置中应加强楼板的整体性，最小板厚为180 mm，楼板开洞要局部补强，同时加强配筋，楼板不能采用错层布置，楼板边梁的构造措施应加强，边梁的梁宽不小于板厚的2倍，纵向钢筋的配筋率不小于1%，钢筋接头宜采用机械连接或焊接。相临楼层的楼板应加厚。框支梁的梁高抗震设计时，不小于计算跨度的1/6，梁宽不小于上部墙体厚度的2倍及400mm,转换梁布置复杂时应进行局部应力分析以校核配筋结果。B级高度高层建筑不宜采用框支主次梁布置方案。转换梁不宜开洞，转换层上部墙体的布置应尽量规则、对称，墙体分布均匀，转换层上部结构与下部结构的抗侧力结构刚心易接近。

在大截面框支柱抗震性能优化设计时，转换层结构大部分剪力墙不落地，转为由若干柱承受上部结构荷重。柱距受建筑功能制约，柱截面又要满足轴压比及上下层剪切刚度比的要求，一般常为大截面柱。某工程大圆柱直径为1.8 m而层高仅4.0 m。转换层柱下净高只有2.7m，“短柱”不可避免。此工程柱净高与直径之比还不到2.0，所以必须作深入分析。与大圆柱相比，楼层梁刚度很小，设计时应尽量降低楼层梁的支座配筋量，增大跨中底部配筋，确保梁本身的强剪弱弯和转换层以下结构的强柱弱梁。同时，大截面混凝土柱宜改为钢管混凝土柱。设想，在罕遇地震时，梁端提早出现塑性铰，降低了对柱的约束作用，大圆柱并非在“短柱”状态下工作，又加上钢管作用，提高了抗剪承载力和有较长的屈服阶段，钢管混凝土大大提高了柱的延性，提高了防倒塌能力，能确保“大震不倒”。

3 结构计算方面

由于带转换层的高层建筑属于竖向不规则的复杂高层建筑，因此需采用两种不同计算模型的计算软件进行整体计算分析，同时应采用弹性时程分析的方法进行多遇地震作用下的结构计算。当高度较高时应进行罕遇地震下，结构薄弱层弹塑性位移验算,以防止结构在预估的罕遇地震作用下倒塌。除了整体计算外，对受力复杂的构件还应补充局部应力分析验算，例如转换梁传力途径复杂时，墙体开洞复杂时等等。另外框支梁上部墙体应按混凝土高规给出的公式进行校核。地基基础的计算，由于带转换层的建筑往往有一定数量的裙房，因此宜采用地基、基础与上部结构共同作用进行计算分析,裙房与主体结构的沉降差应计算清楚并采取一定的设计施工措施，减少沉降差带来的危害。

4 构件配筋设计方面

首先，落地剪力墙是主要抗侧力构件，应加强配筋构造措施，抗震设计时水平及竖向分布钢筋配筋率不小于0.3%。框支柱是重要的竖向受荷构件，抗震设计时，为提高其延性，规范规定了严格的轴压比限值，同时应加强箍筋的配箍率，为加强对混凝土的约束作用，箍筋的型式应采用约束效果好同时利于施工的型式,框支层楼板是重要的受力构件，配筋需要特别加强，应采用双层双向配筋，每层每向配筋率大于0.25%。框支梁的配筋规范提出了较多的要求，这里需注意的是，仅了解规范的要求是远远不够的，还应有扎实的力学知识，因为现有的计算软件的计算结果，还有值得探讨的地方，现有规范也不可能纳入所有的设计经验，应当注意积累地方经验及发达地区经验，不断完善设计理论。