摘要:現代多功能高層建筑常常設置轉換層，大震作用下，易形成薄弱層，轉換層位置較高時，轉換層下部落地剪力墻及框支結構易開裂和屈服，上部墻體易于破壞，從而不利于抗震。本文根據實際工作經驗,結合工程實例，探討了高層建筑整體結構設計和局部構件設計,具有一定的參考和借鑒意義.
　　關鍵詞:高層建筑；轉換層;結構設計
　　0前言
　　工程中，為了滿足建筑藝術造型及其不同使用功能的需求，現代多功能高層建筑常常設置轉換層，沿豎向劃分為不同區段，例如底部墻少柱多，用于商業、大空間廳堂、交通通道；上部墻多柱少，用于酒店客房、住宅等�，F在轉換層的位置也在逐步提高，一般設在3-6層，有的設在7-10層。帶轉換層結構特點是豎向構件不連續，通過轉換構件實現上下構件的過度，豎向剛度、內力在轉換處突變。大震作用下，易形成薄弱層，轉換層位置較高時，轉換層下部落地剪力墻及框支結構易開裂和屈服，上部墻體易于破壞，從而不利于抗震�！陡邔咏ㄖ�混凝土結構技術規程》(JGJ3-2002)(以下簡稱《高規》)對此類結構設計作了專門規定。本文以實際工程為例，探討帶局部轉換層的高層建筑結構設計方法。
　　1工程概況
　　長沙市某大樓，體系類型采用現澆剪力墻結構，建筑面積22519.97m2，總建筑層數33層，層高2.95m。裙房4層，地下2層，地上31層，底部2層為躍層式商業門面。由于建筑造型和功能上的要求，建筑1至4層的一端設置大廳，需在第4層頂面位置設置局部轉換構件(標準層與轉換層平面布置圖見圖2和圖3)，轉換層以上為剪力墻結構，以下為框架一剪力墻結構。轉換形式選為梁式。
　　
　　圖2標準層平面布置圖
　　
　　圖3轉換層平面布置圖
　　本工程屬丙類建筑，設計基準期50年，地震設防烈度6度，地震分組為第I組，地震加速度0.05g，場地類型Ⅲ類，結構重要性系數1.0，特征周期0.45S,基本風壓值取100年一遇0.45kN/m2,地面粗糙度類別為C類，建筑高度級別A級。
　　2整體結構設計
　　2.1抗震等級確定
　　本工程轉換層以上為剪力墻結構，以下為框架-剪力墻結構，是多種結構形式并存的復雜高層建筑，不能像單純的框架結構、剪力墻結構或框架一剪力墻結構那樣統一確定抗震等級，而應根據現行規范不同章節的規定，并考慮該工程自身的特點，有針對性地分別確定不同部位不同構件的抗震等級。建筑高度97.35m,6度設防，根據《高規》表4.8.2，框支框架抗震等級應為二級，底部墻加強部位二級�？紤]到工程具體情況，并根據加強底部的原則，轉換層及以下層的框架梁抗震等級確定為一級.剪力墻及框支柱抗震等級為一級，局部轉換及相鄰一跨的剪力墻、框支柱、轉換梁抗震等級為一級，轉換層以上加強部位剪力墻、梁為一級，非加強部位剪力墻、梁為三級。
　　2.2豎向結構設計
　　為保證轉換層上下主體結構側向剛度盡量接近、平滑過渡，須把握強化下部、弱化上部的原則。本工程與建筑專業協商后，采取的主要措施有:(1)轉換層樓板加厚至180mm，轉換層上下層各加厚至150mm(其余樓層120mm)，以增強樓板剛度；(2)使盡可能多的上部剪力墻尤其是邊緣剪力墻落地；(3)底部剪力墻增大厚度取為400mm(上部墻體厚度分段為350mm到200mm)，并盡量減少開洞；(4)底部剪力墻、柱的混凝土強度等級提高為C60(上部混凝土強度等級分段為C50到C30)；(5)由于局部轉換部位靠近該建筑一端，將該端設置為筒體予以加強。
　　采用上述幾種方法，利用SATWE和ETABS計算程序分別建模，進行整體結構分析后，程序均未發現薄弱層，且轉換層上部與下部結構的等效剛度比的SATWE計算結果為:X方向為0.4960，丫方向為0.3621。滿足《高規》附錄E的要求，說明結構豎向剛度過渡平穩，豎向結構設計合理。
　　2.3平面結構設計
　　該工程總體平面體型簡單，基本規則、對稱，長寬比接近2.0。為了增強結構抗扭性能，除核心筒體外，剪力墻在平面內分散、對稱且盡量沿周邊布置。整體計算后，各層最大水平位移與層間位移比值均小于1.4，以扭轉為主的第一自震周期與平動為主的第一自震周期之比為:1.8643/2.7353=0.682(SATWE),1.6695/2.4665=0.677(ETABS)，滿足《高規》4.3.5條關于平面布置與控制扭轉的要求。
　　3局部構件設計
　　3.1框支柱
　　為貫徹強柱弱梁的原則，必須保證框支柱具有足夠的安全度和延性，本工程框架柱設計除按照規范要求設計外，還采取了以下措施:(1)軸壓比控制在0.65以內(角柱0.55)；(2)兼作剪力墻端柱的框支柱，保證其滿足規范關于約束邊緣構件的設計要求；(3)計算程序考慮轉換層樓板平面內剛度；(4)與業主協商，邊緣框支柱在轉換層處向上延伸一層。該措施顯著減小了邊緣框支柱在轉換大梁處的彎矩和剪力，其原因見圖4，原本由轉換梁下單根邊緣框支柱分配內力(MB=MC)，柱向上延伸一層后，改變為由上下兩根邊緣框支柱共同分配，上面框支柱為暗柱(MB=Mc1+Mc2)，由此Mc1<MC，從而使邊緣框支柱頂端截面內力顯著減小。
　　
　　圖4框支柱向上延伸一層后內力分配變化圖
　　3.2框支梁
　　該工程中，根據建筑設計要求確定上部剪力墻的布置，對轉換梁的構件尺寸進行試算調整，且參考文獻[1]的建議:框支梁斷面按構造要求可確定為梁寬不小于2倍的上部墻厚和400mm,梁高為1/6倍的框支梁跨度，最終框支梁截面尺寸定為950mm×2500mm。由于框支梁截面尺寸大，梁高接近建筑層高，其內力傳遞和分布也非常復雜。本工程對框支梁利用ANSYS軟件進行有限元二次分析，研究其內力分布狀態。模型包括轉換梁以上三層墻體。荷載由整體計算結果查得.豎向荷載作用下其內力傳遞情況如圖5和圖6所示。
　　
　　圖5框支梁上豎載傳遞
　　
　　圖6框支梁內力分部
　　分析結果表明，轉換梁頂端沿跨長壓應力分布極不均勻，其梁端應力水平遠遠大于跨中，轉換梁頂端應力集中現象十分嚴峻。梁內應力傳遞形成“斜壓拱”，且跨中截面梁底拉應力較大，頂端雖受壓，但數值很小，約為低端拉應力水平的1/20,屬于典型的大偏心受拉構件.橫斷面剪應力水平也相當大。
　　本工程利用ANSYS程序分析了豎向荷載作用下轉換梁的受力狀態，考慮到豎橫向荷載共同作用，其配筋仍采用SATWE和ETABS的整體計算結果，并且為了留有足夠的安全余地，將鋼筋用量再放大30%。鋼筋具體布置根據ANSYS有限元分析的應力分布結果，在施工圖中作特別說明，縱向主筋上下配足，腰筋在梁底部布置多一些，使轉換梁形成“拉桿拱”式受力機制。同時注意強剪弱彎的原則，箍筋配置充足，全長加密，以防止剪切破壞。
　　4結束語
　　4.1帶局部轉換層的高層建筑結構設計，必須首先從整體上做好概念設計。根據結構具體情況，不同部位的不同構件應按照規范不同章節確定其抗震等級。整體設計階段最好選用兩個結構計算軟件進行比較分析，建立可靠的計算模型，分析、評判結構總體受力特點，修改、優化整體結構布置。
　　4.2轉換部位不僅包括豎向荷載轉換和水平荷載轉換，二者又分別包括荷載的平面內轉換和X、Y方向的多維轉換。該部位構件與其他常規構件相比，尺寸龐大，應力集中且分布復雜，在整體計算控制的前提下應進行必要的局部應力分析。
　　4.3框支柱頂端內力一般較大，有時難以滿足規范設計要求，此時可以采取加掖或向上延伸一層的方案處理。若建筑限制，則可采取:能伸到上部墻體的柱內鋼筋，在柱頂不予截斷，盡量向上伸到墻內1-2層，以形成暗柱，緩解框支柱頂彎矩和剪力。亦可采取芯柱或勁性骨架柱。
　　4.4框支梁是上下層荷載傳遞樞紐，設計中應留有足夠的安全儲備。彈性有限元分析后發現，其受力類似深梁，內部傳力機制接近斜壓拱，梁端頂部局部應力集中現象嚴重。鋼筋布置應盡量使腰筋在下部多些。箍筋起吊桿作用，應全長加密。建議轉換大梁所有鋼筋用量，由程序計算出來后再放大30%-40%(截面尺寸大，一般不會超筋)。同時盡量選取大直徑鋼筋，并保證鋼筋凈距不小于40mm，以便保證混凝土澆筑質量。
　　
　　參考文獻:
　　[1]徐培福.復雜高層建筑結構設計[M].中國建筑工業出版社.
　　[2]JGJ3-2002，高層建筑混凝土結構技術規程[S].
　　[3]張志豪.論高層建筑工程中轉換層結構設計的運用[J].建筑與規劃設計.2008.121:38-39.       論文發表