高層建筑箱形轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計探討

摘要：目前高層建筑已經(jīng)成為主要的建筑形式，在城市現(xiàn)代化建設(shè)中發(fā)揮重要作用。為了滿足建筑不同功能的需要，在設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)時，也會采用不同的建筑設(shè)計方案。轉(zhuǎn)換層是現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中較為常見的一種結(jié)構(gòu)形式，現(xiàn)本文就主要探討了箱形轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計方法和技術(shù)措施。文章是以某高層建筑為例，對其計算和設(shè)計分別進行了詳細探討，以供同類工程參考借鑒。

關(guān)鍵詞：高層建筑;箱形;轉(zhuǎn)換層;結(jié)構(gòu)設(shè)計

某高層建筑工程是位于某市中心的一個高檔住宅區(qū)建筑，總建筑面積為20萬m2，一共由5棟30層高層建筑組成，其中地上一層為酒店式大堂，地下有2層地下室，并且為了充分利用地下空間，5棟建筑的地下室是相互連通的。這樣一來，就為地下結(jié)構(gòu)的承重能力提出了較高的要求。且由于2層以上都是住宅部分，一般都是小開間，上層的柱結(jié)構(gòu)要比一層柱結(jié)構(gòu)更多，為了保證建筑的穩(wěn)定和安全，經(jīng)設(shè)計人員研究，決定采用框支剪力墻結(jié)構(gòu)，并將地上二層設(shè)計為轉(zhuǎn)換層。以下本文就來談談該轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案。

1、結(jié)構(gòu)設(shè)計總體設(shè)想及面臨的問題

在建筑相關(guān)規(guī)定中，本工程屬于丙類建筑，結(jié)構(gòu)安全等級為二級?？拐鹪O(shè)防烈度為7度。為了確保建筑基礎(chǔ)的強度，采取了灌注樁和樁筏基礎(chǔ)進行基礎(chǔ)施工。由于地下兩層和地上一層均為大開間，柱結(jié)構(gòu)較少。而地上二層以上均為小開間的住宅區(qū)，結(jié)構(gòu)垂直方向受力不均勻，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在研究后最終決定采用框支剪力墻結(jié)構(gòu)作為建筑的主體結(jié)構(gòu)，并在地上二層設(shè)置箱形轉(zhuǎn)換層，箱高2.3m。這樣一來，就可以解決上部墻體無法落在框支梁上的受力問題，從而有效的增大建筑轉(zhuǎn)換層的抗壓能力、強度和整體剛度。并且通過箱形轉(zhuǎn)換層的上下層板還能在一定程度上改善框支梁的抗扭性。從而使整個建筑結(jié)構(gòu)的受力更為合理。

另外，為了使建筑的總體剛度進一步增強，還要對建筑的抗側(cè)力構(gòu)件進行合理的布局設(shè)置，這樣還可以提高建筑的抗震性能與抗風性能。設(shè)計中將核心筒剪力墻進行落地設(shè)計，并在建筑物外圍設(shè)置了一定厚度的L型剪力墻，這樣可以借鑒獨立框支角柱的問題，還可以保證剪力墻的落地數(shù)量，協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換層上下結(jié)構(gòu)的剛度比。

但是在具體的設(shè)計中，還面臨了一定的問題。這是因為本工程的結(jié)構(gòu)原本就較為復雜，再加上使用了箱形轉(zhuǎn)換層，更是增大了設(shè)計可行性的難度。如高寬比的設(shè)計，長寬比的設(shè)計可能會出現(xiàn)超限問題，不利于建筑達到預期的防震性能。為了能夠解決這些問題，保證建筑工程順利實施，設(shè)計人員通過計算分析等方式對箱形轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進行了全面優(yōu)化。

2、計算軟件與計算模型

本工程采用SATWE和SAP2000軟件對結(jié)構(gòu)整體進行計算分析，其中箱形轉(zhuǎn)換層作為一層考慮，頂、底板考慮面內(nèi)變形和面外剛度影響，稱為計算模型A，箱形轉(zhuǎn)換層以下和以上各層結(jié)構(gòu)設(shè)計以此模型計算結(jié)果為主要依據(jù);同時，為使箱形轉(zhuǎn)換層內(nèi)的腹板（肋梁）設(shè)計更安全，在SATWE軟件計算中，將轉(zhuǎn)換層視為一般的轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)（忽略箱形轉(zhuǎn)換層底板的有利作用），首層結(jié)構(gòu)的層高取自該層柱底至箱形轉(zhuǎn)換層中部的距離，稱為計算模型B。箱形轉(zhuǎn)換層內(nèi)的肋梁設(shè)計，依據(jù)兩個計算模型的結(jié)果比較，主要參考模型B的計算結(jié)果，轉(zhuǎn)換層上、下樓層的側(cè)向剛度比和等效側(cè)向剛度比也以此計算結(jié)果為準，以便與現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范的側(cè)向剛度比規(guī)定相一致。設(shè)計中，對結(jié)構(gòu)方案、主要構(gòu)件截面尺寸，通過反復計算比較，進行優(yōu)化調(diào)整。

3、結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

3.1結(jié)構(gòu)計算周期、剪重比、扭轉(zhuǎn)位移比

結(jié)構(gòu)計算周期偏短，主要是因為轉(zhuǎn)換層上部住宅部分剪力墻較多、轉(zhuǎn)換層下部因結(jié)構(gòu)樓層剛度比要求而使構(gòu)件截面尺寸（如墻厚）加大所致。結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一周期與平動為主的第一周期之比為0.63，不大于0.85，滿足規(guī)范要求。從結(jié)構(gòu)振動形態(tài)看，本工程的結(jié)構(gòu)平面置較均勻，平扭藕聯(lián)現(xiàn)象不顯著。

水平地震作用下，各層最小剪力系數(shù)、層間位移均滿足規(guī)范要求?？紤]質(zhì)量偶然偏心后，X向地震作用下，樓層內(nèi)最大位移與平均位移之比均不超過1.20，多數(shù)在1.05左右;Y向地震作用下，大多數(shù)不超過1.35。

3.2樓層側(cè)向剛度比

按照樓層剪力與層間位移的比值計算轉(zhuǎn)換層與其上層的側(cè)向剛度比，X方向為0.867，Y方向為0.776，均大于0.5（轉(zhuǎn)換層要求）和0.7（一般樓層要求），符合規(guī)范規(guī)定。

因為本工程首層較高，彎曲變形明顯，按照高層規(guī)程計算轉(zhuǎn)換層上、下樓層的等效側(cè)向剛度比，X方向為0.44，Y方向為1.16，均不大于1.3，滿足要求。

3.3箱形轉(zhuǎn)換層計算和設(shè)計

本工程箱形轉(zhuǎn)換層的肋梁與頂、底板形成整體結(jié)構(gòu)，肋梁與普通獨立梁的受力形態(tài)有所不同，但基本上仍是偏心受拉構(gòu)件，按普通轉(zhuǎn)換梁計算頂、底的縱向鋼筋，并符合普通轉(zhuǎn)換梁的構(gòu)造要求，其結(jié)果是偏于安全的，但腰筋的配筋量同時應符合計算模型A的水平分布鋼筋要求。肋梁計算配筋普遍不大，除個別梁段外，縱向鋼筋配筋率均不超過1%，抗剪配筋基本為構(gòu)造要求。肋梁頂、底部縱向鋼筋可采用工字形截面梁的配筋方式，翼緣寬度可取板厚的8-10倍（中梁）或4 ～5倍（邊梁），縱向鋼筋的70% -80%配置在翼緣中部1 /2寬度內(nèi)。

另外，根據(jù)SAP2000的計算結(jié)果進行內(nèi)力組合，計算轉(zhuǎn)換層頂、底板的配筋，X方向（水平方向）計算結(jié)果見表1.Y方向計算結(jié)果也有類似形態(tài)，本文從略。

表1 轉(zhuǎn)換層頂、底板配筋計算結(jié)果（X方向）

以上計算結(jié)果清晰地顯示：箱形轉(zhuǎn)換層是整體受力的，與普通梁式轉(zhuǎn)換層受力有較大區(qū)別。若為普通200mm樓板，在肋梁分割的板塊中，按局部彎曲計算則基本不需要計算要求的配筋，但箱形轉(zhuǎn)換層頂、底板按整體受力的偏拉或偏壓構(gòu)件計算，仍需較大配筋。

4、箱形轉(zhuǎn)換層對框支柱的影響

通過SATVVE程序，分析結(jié)果進一步表明，箱形轉(zhuǎn)換層整體性較好，使得框支柱受力更均勻。為最終確定框支柱設(shè)計配筋，詳細分析了SAP2000程序的計算結(jié)果，按我國規(guī)范規(guī)定，要求框支柱承受至少20%的基底剪力，從而計算出框支柱地震剪力調(diào)整系數(shù)（X方向為7.93倍，Y方向為15.17倍），最后再按我國規(guī)范的規(guī)定進行內(nèi)力組合、內(nèi)力調(diào)整和截面配筋設(shè)計。在對計算結(jié)果反復對比研究、分析、判斷后，綜合確定了框支柱的截面配筋。

5、結(jié)束語

總之，在通過詳細的計算分析和設(shè)計優(yōu)化后，本工程最終得到了結(jié)構(gòu)性能較為良好的箱形轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，其受力分布較為均勻，很好的解決了建筑的上下受力問題，并且要比普通的梁式轉(zhuǎn)換層效果更好，設(shè)計更方便，結(jié)構(gòu)更安全。但若干，在框支剪力墻的柱設(shè)計中，一定要充分考慮到空間的整體作用，對設(shè)計方法進行比較分析，最終設(shè)計出優(yōu)秀設(shè)計方案。本工程的箱形轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計方法可以供同類工程的設(shè)計人員借鑒參考。

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