高层建筑结构转换层的设计实践

摘　要：本文结合广东省中山市阜沙镇某商住小区工程设计实际，对高层建筑梁式转换层的结构选型、结构布置、构造措施、结构计算进行了探讨。
关键词：高层建筑； 转换层 ；梁式转换结构
随着社会主义现代化的建设，高层建筑的设计也往着高度更大、功能更多、体型更复杂的方向发展，高层建筑在垂直功能的划分亦更细化了，如上部楼层为住宅、酒店；中部楼层作为办公、写字楼；底部楼层作为商场、银行、饮食业等。不同的使用功能需要不同的结构形式去配合设计和施工，上部的标准层结构往往是小开间房，剪力墙柱较密集，而下部侧需要自由灵活的大空间、柱网跨度大的框架结构。导致上部的竖向承重结构不能直接地落到建筑物底部，所以需在这两种不同结构的交接处设置结构转换的过渡层，也即是所谓的转换层。常用的转换形式为梁式转换，梁式转换具有传力路径直接明确清晰、构造相对简单、施工方便等优点，故在实际的工程设计中得到了较广泛的推广和应用。
　　1.工程概况
　　本工程为中山市阜沙镇某商住小区的高层建筑，共18座高层住宅，整个小区规划总建筑面积为145180.33m2其中地下车库面积为14090.15m2，建筑层数以11、18层为主。本次探讨为6栋高层住宅，高53.30m，地下一层，地上18层，面积为8070.86 m2。地下为停车库，层高3.25m，地上首层为裙楼，层高为5.5m，三~十八层标准层层高3.0m。小区工程设计为商住合一的高层建筑，首层为商业步行街，因此除主体中间部分(电梯间、楼梯间)布置成落地剪力墙结构外，其他部分不能落地的剪力墙需通过转换层转换。
　　
　　2.结构选型
　　要实现高层建筑上、下部结构形式与柱网的相互转换，通常采用以下的几种结构转换类型：梁式转换、板式转换、箱式转换、桁架式转换、空腹桁架式转换。其中梁式转换以传力路径直接明确清晰、构造相对简单、施工方便等优点得到广泛的应用。本工程首层商铺的高度为5.5m，在满足设备管线铺设、装修吊顶后的楼层净空高度要求，再结合梁式转换的优点和经济性，本工程决定采用梁式转换层。

　　3.结构布置
根据《高规》10.1.1带转换层的高层建筑按复杂高层建筑结构设计，本工程为：A级高度建筑、7度设防烈度、抗震等级为三级的剪力墙结构。由于上部标准层住宅与底部首层的商业使用功能上的差异，标准层结构是小开间房剪力墙布置密集的剪力墙结构；而底部结构为开间、跨度大的框架柱部分落地剪力墙的框支剪力墙结构，采用转换梁托柱与墙两种形式。

　　4.构造措施
本工程设计严格按照《高规》10.2中规定的带转换层高层建筑结构抗震构造措施进行，并结合现场的施工条件及以往的设计经验。本着小震不坏、中震可修、大震不到的准则，对本工程采用了以下的抗震构造措施：(1)加强底部框支层的刚度和延性。《高规》附录E 转换层上下结构侧向刚度比值在抗震设计时不应大于2，为了减少上下层刚度比，底部负一层、首层电梯筒及部分剪力墙厚度为300mm，三层以上标准层厚度为200mm。混凝土强度等级：-1~3层为C40，4层以上为C35~C25。(2)加强转换层楼板的刚度和延性。为确保水平荷载的可靠传递，转换梁周边的楼板厚度取为180mm，并配双层双向钢筋，配筋率为0.25%。
(3)《高规》10.2.8规定转换梁截面高度不宜小于计算跨度的1/8，托柱转换梁截面跨度不应少于其上托柱在梁宽方向的截面宽度。如1轴交X~AC轴的转换梁，位于商铺的入门口上空，在满足转换梁的抗剪抗弯的计算要求下，加大转换梁的宽度至1400mmX1300mm，为商铺入口处取得最大的净空高度。

　　5.结构计算
5.1本工程抗震设防烈度为7 度，抗震等级为三级(底部加强部位剪力墙及框支框架为二级)；场地类别为Ⅲ类；设计地震分组为第一组；风荷载：按50年重现期的基本风压值为 0. 70 kN/ m2,当计算风荷载作用下的结构水平位移时，基本风压按50年重现期的风压值0.64 kN/ m2；地面粗糙度为B 类。本工程-1～3层墙柱(梁、板)混凝土等级分别为C40(C30)；4～6层墙柱(梁、板)混凝土等级分别为C35(C25)；7～9层墙柱(梁、板)混凝土等级分别为C30(C25)；10～顶层墙柱(梁、板)混凝土等级分别为C25(C25)。采用PKPM的SATWE进行结构整体计算。　　5.2根据经验初步选定转换梁截面，用SATWE 进行结构整体计算,得到转换梁所受设计剪力后,按照该值不大于0. 15 f cbh/0. 85 校核截面尺寸。本工程转换层的层高为5.50 m ,转换梁的最大跨度为7.70m ,转换梁截面尺寸为宽度(700mm～1400 mm) ×高度(1000mm～1400mm) 。梁宽度不小于上部墙体厚度(200 mm)的两倍 ,梁高度大于梁跨度的1/ 8 ,均满足要求。

　　5.3计算结果：
　　1.第一扭转周期为1.5952，第一平动周期为1.1996，两者之比为0.752，小于0.85满足规范要求；
　　2.最大层间位移比为1.23小于1.4，满足规范要求；3，震型数取了15个，X 方向的有效质量系数为99.51％，Y 方向的有效质量系数为99.50％，不小于90%均满足规范要求。
　　3.计算结果分析
　　经初步计算，由于本工程的转换位置基本都属于在原位转换，上部被转换的墙体离转换梁的端部较近，故弯距均不算大，纵筋基本上为构造配筋，但剪力却非常大，从结果上可以看出，转换梁的截面受剪承载力不满足。在建筑美观及层净高的要求下，转换梁截面高度不能再加大了，在不变混凝土等级的情况下，只能加大转换梁的宽度或混凝土等级、加腋托了。加宽梁截面后，经重新计算后，得到满意的结果，抗剪超筋问题得到解决。
　　根据《高层建筑混凝土结构技术规程》要求，楼层侧向刚度不宜小于上部相邻楼层的70 ％或其上相邻三层侧向刚度平均值的80 ％。SATWE计算结果如下：转换层所在计算层号=3
　　X方向刚度比= 1.620
　　Y方向刚度比= 1.420
　　符合《高层建筑混凝土结构技术规程》的要求。

　　6.结语
由于带转换层高层建筑结构设计理论方法还不完善，因此在进行带转换层高层建筑结构的设计时应该注意以下几个问题：
　　第一，转换层下部结构不应成为柔软层，否则房屋在大地震中会倒塌。
　　第二，应使转换层上部结构抗侧刚度接近下部结构抗侧刚度，不发生转换层上、下刚度突变。
　　第三，若底部转换层位置越高，则转换层上、下刚度突变越大，转换层上、下内力传递途径的突变加剧；若转换层位置越高，则落地剪力墙或简体容易出现受弯裂缝，从而使框支柱的内力增大，转换层上部附近的墙体易破坏；若转换层位置越高，则对结构抗震不利。因此，设计转换层位置时应符合规程JGJ3—2002附录E的规定。
　　第四，设计带转换层高层建筑结构体系应符合规程JGJ3—2002的规定。

参考文献
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[2] 谢晓锋．高层建筑转换层结构型式的应用现状及问题[J]．广东土木与建筑 2004.
[3] 熊进刚，吴晓莉，陈礼建等．有梁式转换层的高层建筑结构设计与研究[J]．工业建筑 2001.