某高层建筑结构选型及转换层结构分析

赵梦

（广州市设计院集团有限公司，广东 广州 510620）

0 引言

随着我国经济建设的快速发展，建筑物的高度和跨度不断增加，越来越多的高层建筑涌现。相较于传统建筑结构，现如今大部分高层建筑需要较大的下部空间，上部配合使用更为密集的轴网提升稳定性。在这种结构下会存在上下轴网尺寸差异问题，导致结构传力效果不佳。针对这一问题，需要科学选用结构体型并科学设计转换层，对高层建筑中应用斜柱转换层结构进行分析，利用更为稳固的“三角形”构造体系减小转换梁截面高度，保证抗侧能力。

1 工程概况

以东莞某项目为例，该项目总建筑面积为29967.28m2，屋面结构高度为189.7m，为B 级高度建筑。地下2 层，商业裙楼采用框架结构，地上共6 层，主屋面高度为28.2m；塔楼主要功能为住宅公寓，层数约47 层，低区公寓层高3.1m，中高区loft 层高4.5m，避难层层高4.5m。结构高宽比约为6.6，核心筒高宽比约为17.7。标准层建筑平面如图1 所示。

图1 标准层平面布置

本工程抗震设防分类均为标准设防类（丙类），抗震设防烈度为Ⅶ度，设计基本地震加速度为0.1g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类。场地粗糙度类别取C 类，特征周期为0.35s[1]。设计基本风压取50 年一遇风压0.65kN/m2，舒适度验算风压0.35kN/m2。结构Y向主要控制因素为风荷载作用。

恒活荷载均按《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）[1]及业主要求，低区公寓部分恒载取2.0kN/m2，活载取2.0kN/m2；中高区loft 区域恒载取5.0kN/m2，活载取4.0kN/m2；避难层恒载2.0kN/m2，活载取4.0kN/m2（人员）或7.0kN/m2（设备机房）等。

2 结构选型

根据规范[2-3]B 级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度，框架-核心筒结构为180m，部分框支剪力墙结构为120m，该项目主要考虑框架核心筒方案及剪力墙方案。塔楼因对走廊净高要求较高，拟对框架核心筒结构考虑在3.1m 平层处走廊加柱，商业五层处转换走廊柱及左右两端剪力墙；对于剪力墙结构暂不考虑转换。框筒结构方案主要截面如表1 所示，剪力墙结构方案主要截面如表2 所示。框筒结构框架柱及转换柱均为型钢混凝土柱，转换梁为型钢混凝土梁，3.1m 平层处走廊最低梁高450mm；剪力墙结构走廊处梁高500mm。墙柱混凝土等级均由C60 逐级降低至C40，梁板混凝土等级为C35。

表1 框筒结构方案主要截面 单位：mm

表2 剪力墙结构方案主要截面

3 计算结果

本次研究主要采用YJK 程序对两种结构形式分别进行了多遇地震作用及风荷载作用下的分析计算，并对计算结果进行研究分析，主要计算结果如表3 所示。

表3 计算结果

根据规范的要求，两个方案的位移角限值分别为1/582 及1/648。经过计算，框筒结构和剪力墙结构在地震作用和风荷载作用下的位移角均满足规范要求。

对比两种结构布置，剪力墙在房间处通长设置，标准层室内可自由布置，但避难层空间无法贯通形成空中花园，存在设备布置受限等问题，且会影响商业空间布局，需要对外围剪力墙进行转换，转换柱位可参考走廊加柱平面，转换梁高约3.2m；框筒结构标准层室内可自由布置，底部商业分隔可以自由灵活布置。

综合各方面因素考虑及业主要求，拟选择采用框筒结构进行深化设计。

4 转换层结构分析

高层建筑设计转换层时对整体结构抗震性能会产生一定影响，因此需要重点思考结构抗震性，主要包括以下要点。

（1）转换层结构抗震性设计主要依靠落地剪力墙承重力量传导性原理，由于支撑框架倾覆力矩增加不明显，会导致转换层位置薄弱，影响整体安全性。在设计时要思考转换层结构垂直方向承载力情况进行计算[4]。

（2）针对结构稳定性问题，还需进行水平方向和竖向方向应力的对比分析。

针对梁式转换结构和斜柱转换结构进行对比，根据应力云图进行分析，在水平和竖向荷载的双重影响下，两类转换结构的水平向应力呈现为斜向分布。两种转换结构的压应力区为右支柱和左墙肢斜向区域，并向两边逐步转变为拉应力。从支撑作用角度来看，斜柱转换结构压应力区域发生转移，此时墙肢洞口部分净跨区段形成的斜向压力更加集中，能够实现集中应力，而梁、框支柱则存在明显的受压力变小情况。从斜柱转换结构应力分布情况来看，净跨区段和应力效果均比较好，尤其在转换梁与斜柱的衔接部位。

结合本工程实际情况，因考虑到商业部分的使用功能，在商业五层处设置转换层转换走廊柱。传统转换梁结构，转换梁梁高较高，试算截面大致为1500mm×3200mm，对室内净高有较大影响。而对于斜柱转换，由于斜柱所形成的支撑效果，既能提升荷载抗性，同时又能缩短转换梁跨度。在整体结构中的主要支承结构为中框支柱，其中斜柱转能够减弱结构变形能力，降低延性，改善受力性能。故本项目拟考虑采用斜柱转换。转换层（五层）板厚150mm，梁板混凝土等级选用C40。转换层结构平面布置如图2 所示，转换层斜柱布置节点构造如图3 所示。

图2 转换层平面布置

图3 转换层斜柱布置节点构造

对斜柱转换构件进行承载力分析，以图2 中框出一跨为例，各工况组合中斜柱底端轴力如表4 所示，另外与考虑转换层及上下两层楼板为零板厚时斜柱及拉梁的内力情况进行对比。对比发现，考虑楼板作用时轴力较大。另外，不同工况，恒载作用下斜柱轴力较大。

表4 斜柱底端轴力

现选取恒载作用下与斜柱相交拉梁轴力及与斜柱相连的剪力墙的X 向剪力，如表5 所示。可知两者之和与总体坐标下斜柱产生的X 向分力基本可以平衡。

表5 拉梁轴力及剪力墙X 向剪力

另外，对转换层楼板进行应力分析。在恒载作用下转换层，大部分区域楼板正应力小于混凝土抗拉强度标准值ftk（C40 混凝土为2.39N/mm2），局部如剪力墙边、框支柱边存在应力集中的情况，但范围很小。因此可认为在恒载作用下，楼板面内不会产生贯通性的裂缝，能有效传递水平力。后续转换层采用加强措施，转换层钢筋双层双向拉通，配筋率不小于0.30%，另外对应力集中的部位，根据应力情况对该区域配筋进一步加强。

针对框支转换层的抗震性思考，需要根据应力需求加大局部位置的钢筋和箍筋，保证每层框支柱所承受的地震剪力结构按照承载力要求调整，对于“细腰”组合平面采用抗震加强措施，在平面凹口处设置拉梁，对应楼板设置暗梁，形成加强带保证结构整体稳定性。

5 转换层结构设计注意问题

5.1 结合建筑实际

在设计转换层时应保证与建筑环境相适应，包括地质条件、建筑层高、整体结构、材料等各项因素。在转换层结构选型方面应当与建筑外观相结合，满足整体视觉需求。务必服从建筑功能性，在施工中一般会将设备层兼做转换层，要求具备足够空间保证设备出入，若洞口尺寸在开孔梁允许范围外，可应用其他结构代替梁式转换，如斜柱转换层、空腹桁架等。在工程设计中受到部分建筑外观要求或使用要求的影响，在设计中强调柱网上疏下密，会出现一定承载差异，造成压缩位移差，并在建筑结构中下部结构中产生明显次应力。针对这类情况，需根据建筑功能性选择合适转换层结构。

5.2 合理选择刚度

出于对转换层设计安全性、稳定性的考虑，需要重点关注转换层结构刚度，是否在合理值范围内。若刚度过大，一旦出现地震反应或竖向刚度突然增加情况，会直接影响转换层上下的受力状态，不利于结构稳定。此外，刚度过大还会增大材料用量，增加经济成本。若转换层刚度过小，则会导致上部框支部分竖向构件与结构中的其他竖向构件出现沉降差，从而产生明显次应力，导致配筋增加。

此外，针对转换层来说，设计较为复杂的部分在下部主体结构中，不可避免地存在竖向刚度突变。为保证下层结构总剪切刚度符合建筑结构需求，应加强抗震设计，根据建筑实际情况适当加大下层结构竖向构件截面尺寸，或提高混凝土强度等级。例如斜柱转换层具有较强的水平荷载，能够发挥混凝土受压性能，适合应用在高层建筑中。在设计时可根据建筑平面情况布设拉梁或圈梁，确保缩短路径提升平衡性，降低上下层水平力[5]。

5.3 明确设计原则优化结构

布置转换层时应保证框架核心筒结构中上下贯通，根据建筑需求满足上下主体总剪切刚度比值，尽可能减少竖向构件。选择传力路径明显的转换层形式，便于分析构件设计安全性和规范性。合理运用计算机模型展示建筑结构的三维空间，对结构布局进行补充计算，充分思考抗震性需求，强化下部结构，避免存在较大沉降差。

6 结语

将建筑风格与实际结构相融合，并保证抗压性、稳定性等需求，是每个建筑设计者需要思考的问题。综合来看，本次研究结合实际工程案例思考高层建筑结构选型及斜柱转换梁结构的设计，突出抗震性方面的研究，在设计中充分利用概念设计方法，从分析和研究结构整体性能入手，对结构进行计算分析。在提升斜柱建筑结构设计水平时需要进一步完善结构设计，明确设计原理，利用相关软件、硬件工具满足预期效果，为城市化进程的推进做出贡献。