實例分析高層住宅轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計

褚薇

摘要：隨著高層建筑高速發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計朝體型復(fù)雜、功能多樣的綜合性方向發(fā)展，因而相應(yīng)的結(jié)構(gòu)形式也復(fù)雜多樣。文章主要結(jié)合某工程實例，針對高層住宅的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計、結(jié)構(gòu)計算等幾方面的設(shè)計要點進行了研究，從中不斷地提升建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性、耐久性及安全性。

關(guān)鍵詞：高層建筑；轉(zhuǎn)換層；上部結(jié)構(gòu)；框支柱設(shè)計

1 工程概況

某工程采用框支剪力墻結(jié)構(gòu)，地下1層，地上33層，建筑高度為99.70m。地下室作為停車庫，1～3層為商場；第4層為設(shè)備轉(zhuǎn)換層；5層及以上為住宅樓。當?shù)乜拐鹪O(shè)防烈度為6度，場地土類別為Ⅱ類；按100年重現(xiàn)期計算的基本風壓值0.35kN/㎡，地面粗糙度C類。

2 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1抗震等級的確定

根據(jù)建筑平面使用功能要求，采用框支剪力墻結(jié)構(gòu)形式。轉(zhuǎn)換形式為梁式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換梁板位于4層頂，為高位轉(zhuǎn)換層建筑?？拐鸬燃墳榭蛑Э蚣芤患?，剪力墻底部加強部位一級，剪力墻非底部加強部位三級。建筑結(jié)構(gòu)安全等級二級；設(shè)計基準期50年；結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限50年。

2.2 上部與下部結(jié)構(gòu)的調(diào)整

本工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計特點在于根據(jù)建筑功能要求設(shè)置的設(shè)備層層高僅為3m，使得轉(zhuǎn)換層的側(cè)向剛度均較大于相鄰以下三層和相鄰上層的側(cè)向剛度，從而在結(jié)構(gòu)計算分析中需解決以下問題：

2.2.1 如何使高位轉(zhuǎn)換時轉(zhuǎn)換層上部與下部結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比滿足《高規(guī)》附錄E的要求；

2.2.2 一層～三層的各層側(cè)剛度比（本層側(cè)移剛度與上一層相應(yīng)塔側(cè)移剛度70%的比值或上三層平均側(cè)移剛度80%的比值）需滿足《抗規(guī)》表3.4.3-2規(guī)定；

2.2.3 經(jīng)計算分析，最大轉(zhuǎn)換梁截面為1300x2500，最小為1000x2000，形成框支柱的剪跨比小于1.5。根據(jù)《高規(guī)》第6.4.2條注3，剪跨比小于1.5的柱，其軸壓比限值應(yīng)專門研究并采取特殊構(gòu)造措施。

由于本工程的一層～三層作為商場，業(yè)主要求盡可能的減少上部住宅的落地剪力墻數(shù)量，以保證使用空間，給結(jié)構(gòu)設(shè)計增大難度。為保證主體結(jié)構(gòu)豎向剛度均勻，使轉(zhuǎn)換層上下剛度接近，避免剛度突變形成薄弱層并且滿足《高規(guī)》附錄E第E.0.2條和公式規(guī)定，抗震設(shè)計時等效側(cè)向剛度比宜接近1.0且≤1.3。因此采取以下措施解決上述的問題，具體措施包括以下幾個方面：

（1）轉(zhuǎn)換層上部在剪力墻滿足《高規(guī)》規(guī)定的各項控制參數(shù)前提下，盡量減少數(shù)量，增大結(jié)構(gòu)洞口，降低連梁高度，以減少上部樓層的側(cè)向剛度。

（2）與業(yè)主和建筑專業(yè)協(xié)商降低一～三層的層高，由原層高5.1m，4.2m，4.2m改為4.8m，3.9m，3.9m；以增大轉(zhuǎn)換層下部各層的側(cè)向剛度。

（3）增大轉(zhuǎn)換層以下各層墻體厚度。轉(zhuǎn)換層以下各層均按一層厚度取值為350～450mm厚，轉(zhuǎn)換層減小為300mm厚，上部為200～250mm厚，避免剛度突變；在一～三層周邊將部分磚墻改為剪力墻（新增，與上部剪力墻不對應(yīng)）以提高剪力墻的數(shù)量并增大側(cè)向剛度。

經(jīng)調(diào)整后，轉(zhuǎn)換層上、下剛度比均滿足《高規(guī)》附錄E的要求；一～三層的各層側(cè)剛度比亦滿足《抗規(guī)》表3.4.3-2規(guī)定。

2.3 設(shè)備轉(zhuǎn)換層的設(shè)置

為避免出現(xiàn)剪跨比小于1.5的框支柱，對設(shè)備轉(zhuǎn)換層的設(shè)置提出多個結(jié)構(gòu)方案進行比較：

設(shè)備轉(zhuǎn)換層采用輕鋼結(jié)構(gòu)體系，在主體結(jié)構(gòu)完成后再施工；不考慮該層參與主樓的整體計算分析。則轉(zhuǎn)換層的實際層高為6.9m。經(jīng)計算分析，轉(zhuǎn)換層的側(cè)向高度在保證建筑功能要求的前提下無法滿足 《高規(guī)》附錄E第E.0.2條中 “當轉(zhuǎn)換層設(shè)置第二層以上時，計算的轉(zhuǎn)換層與其相鄰上層的側(cè)向剛度比不應(yīng)小于0.6”。

直接加高設(shè)備層層高為4.6m以滿足框支柱剪跨比大于等于1.5。這樣，建筑總高度大于100m，無法實現(xiàn)。

確定設(shè)備轉(zhuǎn)換層層高為3m。對剪跨比小于1.5的框支柱采取特殊構(gòu)造措施。這樣，最終采用方案。

由于目前國內(nèi)并沒有對剪跨比小于1.5的框支柱進行專門研究的規(guī)范和資料，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計時采用幾點措施來提高框支柱的抗震性能和延性：（1）軸壓比限值降0.1，對于一級抗震的框支柱取0.5；（2）框支柱截面中部設(shè)置芯柱；（3）在框支柱內(nèi)增設(shè)交叉斜筋；（4）增大框支柱的配筋率和配箍率。

3 結(jié)構(gòu)計算分析

通過采用SATWE和PMSAP兩個不同力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)分析軟件進行整體內(nèi)力位移計算分析，計算時按結(jié)構(gòu)不規(guī)則且同時考慮雙向地震作用和平扭藕連計算結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。采用彈性時程分析法進行補充計算——根據(jù)建筑場地類別和設(shè)計地震分組選用了兩組記錄地震波和一組人工模擬地震波進行計算對比。

剛重比大于1.4，能夠通過《高規(guī)》第5.4.4條的整體穩(wěn)定驗算；

剛重比大于2.7，可以不考慮重力二階效應(yīng)。

通過以上數(shù)據(jù)顯示，計算結(jié)果正常，各項參數(shù)均滿足《高規(guī)》條文要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計能達到“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設(shè)防目標。

4 框支柱設(shè)計

框支柱截面尺寸主要由軸壓比控制并滿足剪壓比要求。為保證框支柱具有足夠延性，對其軸壓比應(yīng)嚴格控制。

4.1 該工程框支柱抗震等級為一級，軸壓比不得大于0.6，對于部分因截面尺寸較大而形成的短柱，不得大于0.5。柱截面延性還與配箍率有密切關(guān)系，因而框支柱的配箍率也比一般框架柱大得多。箍筋不得小于φ10@100，全長加密，且配箍率不得小于1.5%。

4.2 在工程中，個別框支柱還兼作剪力墻端柱，所以還應(yīng)滿足約束邊緣構(gòu)件配箍特征值不小于0.2的要求，折算成配箍率（C55混凝土）即為1.82%?？蛑е鶠榉浅Ｖ匾臉?gòu)件，為增大安全性，對柱端剪力及柱端彎矩均要乘以相應(yīng)的增大系數(shù)，每層框支柱承受剪力之和應(yīng)取基底剪力的30%。因為程序計算時，一般假定樓板剛度無限大，水平剪力按豎向構(gòu)件的剛度分配，底部剪力墻剛度遠大于框支柱，使得框支柱分配的剪力非常小。然而考慮到實際工程中樓板的變形以及剪力墻出現(xiàn)裂縫后剛度的下降，框支柱剪力會增加，因而對框支柱的剪力增大作了單獨規(guī)定。

5 結(jié)束語

近年來，隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展，人們對高層建筑的功能要求趨向于多樣化、綜合化和全面化。為較為最常見的形式以上部為小開間的民用住宅，下部為大開間的商場或公共娛樂場所。從建筑功能上看，高層建筑上部需要較多的墻體來分隔空間以滿足住宅戶型的需要；而下部則希望有較大的自由靈活空間，大柱網(wǎng)、少墻體，以滿足公共使用要求。然而，按照這樣的建筑形式進行結(jié)構(gòu)布置時，上部墻體多而密，下部柱網(wǎng)少而稀，即剛度上大下小。這與常規(guī)的結(jié)構(gòu)豎向布置的原則正好是相反的。為了滿足建筑要求就必須在上下不同結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換的樓層設(shè)置轉(zhuǎn)換層。于是，帶轉(zhuǎn)換層的建筑結(jié)構(gòu)孕育而生，并在近年來得到較為廣泛的應(yīng)用。

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