浅谈高层建筑转换层上下结构刚度的设计

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　　摘要：本文结合郑州正弘旗1号楼工程实例，从转换层的结构布置和抗震设计、转换层上下结构侧向刚度比的计算及其合理取值等方面对高层建筑转换层上下结构刚度的设计进行了探讨。
　　关键词：高层建筑转换层结构设计侧向刚度比
　　
　　
　　 椐不完全统计，我国高层建筑中，仅带转换层的建筑有几百栋之多。为保证转换层下部大空间整体结构有适宜的刚度、强度、延性和抗震能力，应尽量强化转换层下部主体结构刚度，弱化转换层上部主体结构的刚度，使转换层上、下部主体结构的刚度及变形特征尽量接近。本文结合郑州正弘旗1号楼工程实例，谈谈高层建筑转换层上下结构刚度的设计。
　　1工程概况
　　 本实例工程是河南正弘置业有限公司开发的郑州正弘旗1号楼（见图1所示），项目位于郑州市农业路以北东明路以西。本工程地下1层为小汽车库，地上24层，建筑高度为79.05米，室外地坪至24层屋面总高87.50米，总建筑面积38238.16平方米。
　　 该工程主楼为二幢独立塔楼，在裙楼屋面以下(即转换层以下)通过裙楼屋面大底盘连为一体，楼电梯间筒体上下贯通连续，选用带梁式转换层的框支剪力墙结构。其结构布置的关键是要保证大空间层有充分的刚度，防止沿竖向刚度过于悬殊；加强转换层的刚度与承载力，保证转换层可以将上层剪力可靠地传递到落地剪力墙上去。
　　
　　图1郑州正弘旗1号楼鸟瞰图
　　2转换层上、下结构刚度的设计原则
　　2.1转换层的结构布置
　　 研究得出，底部转换层位置越高，转换层上、下刚度突变越大，转换层上、下内力传递途径的突变就越加剧；此外，转换层位置越高，落地剪力墙或简体易出现受弯裂缝，从而使框支柱的内力增大，转换层上部附近的墙体易于破坏。总之，转换层位置越高对抗震越不利。高规第10.2.3条规定，转换层上部结构与下部结构的侧向刚度比应符合附录E的规定。
　　 落地剪力墙和框支柱的布置对于防止转换层下部结构在地震中倒塌将起十分重要的作用。高规规定了几条重要原则：带转换层的筒体结构的内筒应全部上、下贯通落地并按刚度要求增加墙厚；框支剪力墙结构要有足够的剪力墙上、下贯通落地并按刚度比要求增加墙厚；长矩形平面的框支剪力墙结构，抗震设计时，其落地剪力墙的间距不原规程适当加严；比原规程增加了限制落地柱周围的楼板不应错层的规定。这几点的原则是防止转换层下部结构破坏的基本要求，特别是对于抗震设计的结构，要求更加严格。遵守这些原则就可控制刚度突变，减少内力传递的突变程度，缩短转换层上、下结构内力传递途径，保证转换层楼盖有足够的刚度以传递不同抗侧力结构之间的剪力，防止框支柱因楼盖错层发生破坏。
　　2.2转换层高层建筑结构的抗震设计
　　 带转换层的高层建筑结构中，由于设置了转换层沿建筑物高度方向刚度的均匀性受到很大的破坏，转换层结构竖向承载力构件不连续和墙、柱截面的突变，导致传力路线曲折、变形集中和应力集中，因此转换结构的抗震性能较差。
　　 抗震设计时，高位转换对结构受力十分不利。计算分析说明，在水平地震作用下，倾覆力矩分布曲线在转换层处呈现转折，转换层下部是以剪力墙为主的框架-剪力墙结构，落地剪力墙所分配的倾覆力矩由转换层往下递增较快，而支撑框架的倾覆力矩递增很少。此外，转换层处，框支剪力墙的大量剪力通过楼板传递给落地剪力墙，这也是倾覆力矩曲线呈现转折的原因。当转换层位置较高时，剪力分配和传力途径亦发生急剧的突变，落地剪力墙更容易产生裂缝，框支剪力墙在转换层上部的墙体所受内力很大，易于破坏，转换层下部的支承框架更易于屈服，从而容易形成几个薄弱层。其转换层上部楼层的部分竖向构件不能连续贯通至下部楼层，因此，转换层是薄弱楼层，其地震剪力需乘以1.15的增大系数。设计中不要误认为只要楼层侧向刚度满足要求，该楼层就不是薄弱层。
　　2.3转换层上下结构侧向刚度比的计算
　　 目前在高层建筑转换层结构设计中通常采用控制转换层上、下层主体结构的剪切刚度比γ来避免带转换层高层建筑结构沿竖向刚度过于悬殊。
　　 高规附录E转换层上下结构侧向刚度规定：底部大空间为1层时,可近似采用转换层上、下层结构等效剪切刚度比γ表示转换层上、下层结构刚度的变化，γ宜接近1，非抗震设计时γ不应大于3，抗震设计时γ不应大于2。
　　 底部大空间层数大于1层时,其转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比γe可采用图2所示的计算模型按下列公式计算。γe宜接近1，非抗震设计时γe不应大于2，抗震设计时γe不应大于1.3。
　　
　　式中：――转换层上、下结构的等效侧向刚度比；
　　――转换层及其下部结构（计算模型1）的高度；
　　――转换层及其下部结构（计算模型1）的顶部在单位水平力作用下的侧向位移；
　　――转换层上部若干层结构（计算模型2）的高度，其值应等于或接近计算模型1的高度，且不大于；
　　――转换层上部若干层结构（计算模型2）的顶部在单位水平力作用下的侧向位移。
　　
　　 (a)计算模型1转换层及下部结构 (b)计算模型2转换层上部部分结构
　　 图2转换层上部与下部结构的等效侧向刚度计算模型
　　 转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比计算时宜综合考虑各构件的剪切、弯曲和轴向变形对结构侧移的影响。
　　 当转换层设置在3层及3层以上时，其楼层侧向刚度尚不应小于相邻上部楼层侧向刚度的60%。这一规定是为了防止出现转换层的下部楼层刚度较大，而转换层本层的侧向刚度较小，此时等效侧向刚度比虽能满足限值要求，但转换层本层的侧向刚度过于柔软。层侧向刚度比的限值取60%，与美国规范（IBC-2000）的规定相同。高规等4.4.2条只规定了楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的70％，未规定下限值。对于位于3层及3层以上的带转换层的高层建筑结构，规定60％作为下限值是十分必要的。
　　 当转换层设置在3层及3层以上时，应按高规规定分别计算等效侧向刚度比和转换层本层与转换层相邻上部楼层侧向刚度比，设计中应同时满足这两种刚度比的限制条件。
　　2.4转换层上下结构侧向刚度比的合理取值
　　 高层建筑转换层结构设计中转换层上、下层主体结构的剪切刚度比（γ）的合理取值：
　　 （1）扩大外围柱距的框筒结构或内部抽柱的框架结构。
　　 对这种情况的结构γ应取1，即保持上、下层剪切刚度不变。
　　 在一般情况下，由于建筑功能上要求下部柱子截面小，层高要比上层高许多，因此很难满足上述要求。此时建议转换层以下采用钢骨混凝土柱或钢管混凝土柱，这样来调整柱的截面面积、刚度和延性，从而达到满足建筑功能的要求。但这时应特别注意转换层上、下的连接，当转换层上部为钢筋混凝土时，应将下部钢骨混凝土柱锚入转换层内。
　　 （2）底部大空间剪力墙结构
　　 由于底部大空间剪力墙结构的底层高大以及部分剪力墙不落地改为框支后，底部刚度显著减小，为防止底部层刚度突变，应控制转换层上、下剪切刚度比（γ）：当底部大空间为1层时，转换层上、下结构等效剪切刚度比γ宜接近1，非抗震设计时，γ不应大于3，抗震设计时γ不应大于2。
　　3郑州正弘旗1号楼工程转换层上下结构侧向刚度比的设计
　　3. 1程序选择
　　 带梁式转换层高层建筑结构分析时，直接用三维空间分析程序进行整体结构内力分析，求得转换梁的内力作为设计依据。根据高规第5.1.12条和5.1.13条规定，本工程采用通用的SATWE墙元空间结构分析程序进行结构整体计算分析，采用PMSAP有限元分析程序进行校核。

　　3.2转换层结构刚度分析
　　3.2.1落地剪力墙的布置
　　 框支剪力墙结构由于底层框架柱的抗侧刚度很弱，结构竖向抗侧刚度在转换层处发生突变。为了提高结构的整体抗侧能力，在结构平面布置时，宜将转换层上部的部分剪力墙落地并贯通至基础。落地剪力墙设置过少，对结构整体抗侧能力的提高没有很大帮助；设置过多，既影响底层建筑平面的功能布置，又造成经济上不必要的浪费。本工程设计中，楼电梯间墙体落地做成剪力墙筒体，在建筑物两端设置落地剪力墙，并贯通至基础；在转换层以下，结合建筑平面布置，纵横向均设置了落地剪力墙，以满足抗侧力的要求。
　　3.2.2高位转换时转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比
　　 按双塔整体计算：
　　 采用的楼层刚度算法：剪弯刚度算法
　　 转换层所在层号：4；
　　 转换层下部结构起止层号及高度：2，4，15.30m；
　　 转换层上部结构起止层号及高度：5，8，13.30m。
　　 计算结果：X方向下部刚度：0.1468E+08，X方向上部刚度：0.1390E+08，X方向刚度比：0.8229；
　　 Y方向下部刚度：0.1372E+08，Y方向上部刚度：0.1993E+08，Y方向刚度比：1.2633。
　　 分析：本工程为抗震设计，X、Y方向刚度比均接近1，且不大于1.3，满足规范要求；其转换层设置在4层，《高规》附录E.0.2在《房屋建筑抗震设计常见问题解答》[30]2.48条明确指出：抗震设计时γe不大于1.3即可，若小于1.0，一般情况下更有利于结构抗震。规范中的“宜接近1”，主要指不要大于1太多。这也表明了控制转换层侧向刚度的原则：强化下部、弱化上部。
　　3.2.3高位转换时转换层与相邻上部楼层侧向刚度比
　　 SATWE程序计算时，层刚度比计算选项中应选取“地震剪力与地震层间位移的比值”。采用的楼层刚度算法：层间剪力比层间位移算法。计算结果见表1：
　　表1郑州正弘旗1号楼工程层刚度比计算结果
　　楼层号 4 5 6 7
　　Ratx 0.7441 0.8720 1.0865 0.8591
　　Raty 0.7490 0.8316 1.0509 0.8332
　　Ratx1 1.4240 1.34149 1.6628 1.6177
　　Raty1 1.5408 1.3593 1.7145 1.6655
　　RJX（kN/m） 3.1230E+06 2.7234 E+06 2.9589E+06 2.5420E+06
　　RJY（kN/m） 3.8796E+06 3.2262 E+06 3.3906E+06 2.8252E+06
　　 注：Ratx，Raty：X，Y方向本层塔侧移刚度与下一层相应塔侧移刚度的比值；
　　 Ratx1，Raty1：X，Y方向本层塔侧移刚度与上一层相应塔侧移刚度70%的比值或上三层平均侧移刚度80%的比值中之较小者；
　　 RJX，RJY：结构总体坐标系中塔的侧移刚度。
　　 分析：
　　 1）转换层X、Y方向楼层侧向刚度与相邻上部楼层侧向刚度的比值分别为：1.15和1.20，均大于60％，满足高规附录E第E.0.2条要求。
　　 2）各层X，Y方向本层塔侧移刚度均不小于上一层相应塔侧移刚度70%或上三层平均侧移刚度80%，满足抗规4.4.2条规定；并设定转换层为结构薄弱层，按高规5.1.14条规定其薄弱层对应于地震作用标准值的地震剪力乘以1.15的放大系数，并对薄弱部位采取有效的抗震构造措施。
　　 由以上分析可以看出：带转换层结构体系整体分析的首要目标是控制结构的整体信息：除了位移、周期的要求外，还需要通过转换层侧向刚度的比较分析判断结构布置是否合理。计算分析侧向刚度应分两步：首先SATWE程序计算中应采用剪切刚度算法（仅首层为大空间时）或剪弯刚度算法（多层大空间时）对转换层上下结构侧向刚度进行分析，并满足附录E.0.1或附录E.0.2要求；然后采用“地震剪力与地震层间位移的比值”方法分析“当转换层设置在3层及3层以上时，其楼层侧向刚度尚不应小于相邻上部楼层侧向刚度的60％”的要求。
　　 如果整体计算中侧向刚度不满足要求，可以通过调整转换层上下几层落地剪力墙位置、墙厚、混凝土强度等级等手段使侧向刚度满足要求，从而避免地震作用下结构严重破坏的可能性。
　　4结论与建议
　　 1.要保证底部大空间有充分的刚度，防止沿竖向刚度变化过于悬殊，对实际工程意义重大。设计中要做到强化下部，弱化上部，结构设计与建筑协调，争取尽可能多的剪力墙落地，必要时也可以在别的部位设置补偿的剪力墙。在满足建筑物安全和经济的前提下，设计的转换层刚度不宜太大，应严格按照高规要求控制转换层上、下刚度比。
　　 2.转换层上、下结构侧向刚度比的描述方法和合理刚度比的研究
　　 目前转换层上、下结构侧向刚度比是按楼层剪切刚度比γ（或侧向刚度比γe）来控制的，没有考虑竖向构件的布置问题，布置在中间的剪力墙和布置在外围的剪力墙对层刚度的贡献是不同的，抗侧刚度中弯曲刚度的作用有时是很大的，不应忽略；并且特殊结构布置下不适用。因此，采用何种刚度指标来描述转换层上、下结构侧向刚度的变化以及取值范围等有待进一步的研究。

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