摘要：本文以實際工程為例，分析了帶局部轉換層的高層建筑結構設計方法及局部構件設計、整體結構設計。為同行建筑結構設計者提供參考、借鑒。
　　關鍵詞：高層建筑；帶局部轉換層；結構設計
　　1引言
　　隨著高層建筑在工程實踐中的廣泛應用，建筑物的功能愈來愈復雜，同時由于建筑場地本身形狀的制約和建筑的要求，在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。現在轉換層的位置也在逐步提高，但規范規定框支剪力墻高層建筑轉換層在地面以上層數:8度時不宜超過3層,7度時不宜超過5層,6度時其層數可適當增加；底部帶轉換層的框架-核心筒結構可適當增加。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，并易形成薄弱層，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，轉換層上部幾層墻體易于破壞，從而不利于抗震。《高層建筑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。
　　2工程實例
　　市某大廈體系類型采用部份框支剪力墻結構，建筑面積21519.87m2，總建筑層數30層，標準層層高2.95m,轉換層層高5.2m。裙房4層，地下2層，地上28層。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（標準層平面布置圖見圖1），轉換層以上為剪力墻結構，以下為框架－剪力墻結構，轉換形式選為梁式。
　　             
　　                                                    圖1標準層平面布置圖
　　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II類，結構重要性系數1.0，特征周期0.35S，基本風壓值取100年重現期的風壓值采用,取0.35kN/m2，地面粗糙度類別為B類，建筑高度級別A級。
　　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，本工程框支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；
　　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）與建筑專業及業主協商，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2，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2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，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，V≤1/0.85(0.15
　　βCｆCｂh0，最終框支梁截面尺寸最大為950mm×2000mm。由于框支梁截面尺寸大，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所示
　　         
　　                     圖3框支梁上豎載傳遞
　　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PMSAP的整體計算結果，并且配筋除滿足計算結果外還嚴格滿足高規第十章框支梁的配筋要求。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整體結構設計
　　4.1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－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》框支框架抗震等級應為二級，剪力墻底部加強部位為二級。由于轉換層位于第四層,屬高位轉換，據《高規》10.2.5條轉換層及以下層的框架梁抗震等級確定為二級，剪力墻及框支柱抗震等級為一級，轉換層以上加強部位剪力墻為一級，非加強部位剪力墻為三級。
　　4.2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,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（上部墻體厚度為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PMSAP計算程序分別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0.8960，Y方向為0.7621。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。
　　4.3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(PMSAP)，滿足《高規》4.3.5的要求。
　　5結論
　　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。
　　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。
　　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）框支梁是上下層荷載傳遞樞紐，設計中應嚴格滿足規范的相關規定。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。同時由于轉換層鋼筋用量較大且密,應盡量選取大直徑鋼筋，并保證鋼筋間凈距滿足規范要求，以便保證混凝土澆筑質量。
　　5）轉換層結構屬豎向剛度不規則結構，不僅是豎向剛度易在轉換層附近發生突變，還應關注的是豎向抗側力構件不連續，使結構的傳力（包括豎向及水平力）途徑在轉換層及其附近發生突變，在強震作用下，易產生薄弱部位。在抗震設計中，除了控制轉換層上下剛度比外，還應采取措施，加強轉換層及附近層結構構件包括框支柱、落地墻、轉換構件、轉換層上下層樓板以及底部加強部位以及上一層結構，以保證水平力的有效傳遞和結構在地震作用下有足夠的延性。
　　參考文獻:
　　[1]JGJ3-2002.高層建筑混凝土結構技術規程
　　[2]李國勝.多高層鋼筋混凝土結構設計優化與合理構造.中國建筑工業出版社,2008年12月第二版
　　[3]GB50011-2001.建筑抗震設計規范
　　[4]李國勝.多高層鋼筋混凝土結構設計中疑難問題的處理及算例.中國建筑工業出版社,2004年4月第二版