轉(zhuǎn)換層復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

董建超 常躍州

河南科興建設(shè)有限公司（450000）

多功能的高層建筑，往往需要沿建筑物的豎向劃分為不同用途的區(qū)段，如底部商業(yè)上部住宅。

因建筑功能需要，下部為大空間，上部部分豎向構(gòu)件不能直接連續(xù)貫通落地而通過(guò)水平轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與下部部分豎向構(gòu)件連接構(gòu)成的高層建筑結(jié)構(gòu)為帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)。

帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)由于上下層豎向構(gòu)件不連續(xù)，結(jié)構(gòu)豎向剛度發(fā)生變化，轉(zhuǎn)換層上下樓層構(gòu)件內(nèi)力、位移容易發(fā)生突變，對(duì)抗震不利。由于底部剛度減小，因此震害下部較嚴(yán)重，同時(shí)由于豎向剛度的差異也會(huì)使上部樓層的震害加重，特別是與轉(zhuǎn)換層相鄰的樓層震害也較為嚴(yán)重。對(duì)于等強(qiáng)度結(jié)構(gòu)，各樓層的屈服強(qiáng)度系數(shù)大致相同，因此地震作用下的各樓層層間側(cè)移大致相等，所吸收的地震能量沿高度分布比較均勻，各層的輸入能量和吸收能量處于穩(wěn)定平衡,而帶有柔弱底層的多層建筑,由于底層的剛度和強(qiáng)度均較低，底層的屈服強(qiáng)度系數(shù)比上面各層小得多，因而地震作用下房屋的側(cè)移大部分集中于底層,上面各層的側(cè)移減小，本該由上面各層吸收的地震能量,很大一部分轉(zhuǎn)移到底層，以致底層需要吸收的能量超過(guò)其最大允許變形所能吸收的能量，其結(jié)果是底層嚴(yán)重破壞甚至倒塌。

因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從結(jié)構(gòu)體系方面、構(gòu)件布置方面、結(jié)構(gòu)計(jì)算方面及配筋構(gòu)造方面采取一定的抗震措施才能保證這種結(jié)構(gòu)形式的抗震性能。

1 結(jié)構(gòu)體系方面

由于該種型式的建筑物屬于豎向不規(guī)則體系，因此應(yīng)盡量使建筑物平面形狀，剛度對(duì)稱，均勻。在轉(zhuǎn)換部位設(shè)計(jì)上，應(yīng)考慮高位轉(zhuǎn)換對(duì)建筑物的不利影響,轉(zhuǎn)換層位于地面以上的層數(shù)，8度時(shí)不宜超過(guò)3層，7度時(shí)不宜超過(guò)5層，北京、上海、深圳等地比較早積累了高位轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),不同的轉(zhuǎn)換部位，采取不同的技術(shù)措施，設(shè)計(jì)時(shí)可以參考借鑒。

2 構(gòu)件布置方面

需注意各構(gòu)件的抗震布置要求，并應(yīng)減少扭轉(zhuǎn)的影響。首先，落地剪力墻的布置十分重要，落地剪力墻應(yīng)加厚，并減少開(kāi)洞，洞口應(yīng)布置在墻體中部，同時(shí)墻體布置應(yīng)均勻?qū)ΨQ，以減少扭轉(zhuǎn)影響?？蛑е牟贾脩?yīng)滿足一定的要求，以保證地震力可靠地重新分配?？拐鹪O(shè)計(jì)時(shí)其截面尺寸應(yīng)大于框支梁跨度的1/12，對(duì)于異形框支柱設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意采取一定的抗震措施。框支層樓板的布置中應(yīng)加強(qiáng)樓板的整體性，最小板厚為180 mm，樓板開(kāi)洞要局部補(bǔ)強(qiáng)，同時(shí)加強(qiáng)配筋，樓板不能采用錯(cuò)層布置，樓板邊梁的構(gòu)造措施應(yīng)加強(qiáng)，邊梁的梁寬不小于板厚的2倍，縱向鋼筋的配筋率不小于1%，鋼筋接頭宜采用機(jī)械連接或焊接。相臨樓層的樓板應(yīng)加厚。框支梁的梁高抗震設(shè)計(jì)時(shí)，不小于計(jì)算跨度的1/6，梁寬不小于上部墻體厚度的2倍及400mm,轉(zhuǎn)換梁布置復(fù)雜時(shí)應(yīng)進(jìn)行局部應(yīng)力分析以校核配筋結(jié)果。B級(jí)高度高層建筑不宜采用框支主次梁布置方案。轉(zhuǎn)換梁不宜開(kāi)洞，轉(zhuǎn)換層上部墻體的布置應(yīng)盡量規(guī)則、對(duì)稱，墻體分布均勻，轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)剛心易接近。

在大截面框支柱抗震性能優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)大部分剪力墻不落地，轉(zhuǎn)為由若干柱承受上部結(jié)構(gòu)荷重。柱距受建筑功能制約，柱截面又要滿足軸壓比及上下層剪切剛度比的要求，一般常為大截面柱。某工程大圓柱直徑為1.8 m而層高僅4.0 m。轉(zhuǎn)換層柱下凈高只有2.7m，“短柱”不可避免。此工程柱凈高與直徑之比還不到2.0，所以必須作深入分析。與大圓柱相比，樓層梁剛度很小，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量降低樓層梁的支座配筋量，增大跨中底部配筋，確保梁本身的強(qiáng)剪弱彎和轉(zhuǎn)換層以下結(jié)構(gòu)的強(qiáng)柱弱梁。同時(shí)，大截面混凝土柱宜改為鋼管混凝土柱。設(shè)想，在罕遇地震時(shí)，梁端提早出現(xiàn)塑性鉸，降低了對(duì)柱的約束作用，大圓柱并非在“短柱”狀態(tài)下工作，又加上鋼管作用，提高了抗剪承載力和有較長(zhǎng)的屈服階段，鋼管混凝土大大提高了柱的延性，提高了防倒塌能力，能確保“大震不倒”。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算方面

由于帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑屬于豎向不規(guī)則的復(fù)雜高層建筑，因此需采用兩種不同計(jì)算模型的計(jì)算軟件進(jìn)行整體計(jì)算分析，同時(shí)應(yīng)采用彈性時(shí)程分析的方法進(jìn)行多遇地震作用下的結(jié)構(gòu)計(jì)算。當(dāng)高度較高時(shí)應(yīng)進(jìn)行罕遇地震下，結(jié)構(gòu)薄弱層彈塑性位移驗(yàn)算,以防止結(jié)構(gòu)在預(yù)估的罕遇地震作用下倒塌。除了整體計(jì)算外，對(duì)受力復(fù)雜的構(gòu)件還應(yīng)補(bǔ)充局部應(yīng)力分析驗(yàn)算，例如轉(zhuǎn)換梁傳力途徑復(fù)雜時(shí)，墻體開(kāi)洞復(fù)雜時(shí)等等。另外框支梁上部墻體應(yīng)按混凝土高規(guī)給出的公式進(jìn)行校核。地基基礎(chǔ)的計(jì)算，由于帶轉(zhuǎn)換層的建筑往往有一定數(shù)量的裙房，因此宜采用地基、基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)共同作用進(jìn)行計(jì)算分析,裙房與主體結(jié)構(gòu)的沉降差應(yīng)計(jì)算清楚并采取一定的設(shè)計(jì)施工措施，減少沉降差帶來(lái)的危害。

4 構(gòu)件配筋設(shè)計(jì)方面

首先，落地剪力墻是主要抗側(cè)力構(gòu)件，應(yīng)加強(qiáng)配筋構(gòu)造措施，抗震設(shè)計(jì)時(shí)水平及豎向分布鋼筋配筋率不小于0.3%?？蛑е侵匾呢Q向受荷構(gòu)件，抗震設(shè)計(jì)時(shí)，為提高其延性，規(guī)范規(guī)定了嚴(yán)格的軸壓比限值，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)箍筋的配箍率，為加強(qiáng)對(duì)混凝土的約束作用，箍筋的型式應(yīng)采用約束效果好同時(shí)利于施工的型式,框支層樓板是重要的受力構(gòu)件，配筋需要特別加強(qiáng)，應(yīng)采用雙層雙向配筋，每層每向配筋率大于0.25%。框支梁的配筋規(guī)范提出了較多的要求，這里需注意的是，僅了解規(guī)范的要求是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還應(yīng)有扎實(shí)的力學(xué)知識(shí)，因?yàn)楝F(xiàn)有的計(jì)算軟件的計(jì)算結(jié)果，還有值得探討的地方，現(xiàn)有規(guī)范也不可能納入所有的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)當(dāng)注意積累地方經(jīng)驗(yàn)及發(fā)達(dá)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，不斷完善設(shè)計(jì)理論。