高层建筑转换层结构设计方法论文
【摘要】为了能够合理地设计转换层构件，设计师必须对高层建筑梁式转换层的整体结构和受力情况进行分析和了解。论文以实际工程为例，对高层建筑梁式转换层结构抗震设计和结构选型进行了探讨，设计效果良好，具有一定的借鉴参考价值。
1引言
在高层建筑施工过程中，常见的结构形式底层为公共娱乐场所或商场，上部为民用住宅。上部空间可以通过使用比较多的墙体来对空间进行分割，下部则设计为空间结构更加灵活的大柱网结构。这样,建筑的上部结构和下部结构之间的结构差异比较大，为了达到设计要求，需要设计转换层结构。常见的转换层结构主要包括梁式转换层结构、桁架转换层结构、厚板转换层结构等。在实际工程中，要求结合实际的建筑布局情况合理设计转换层结构。
2工程概况
某建筑工程地上总建设层数为30层，地下为2层，总建筑高度为95m，地上裙楼5层，工程地下1层为地下车库和卖场，1~4层为商场，第5层为会所，6~31层建筑为高级公寓。设计建筑抗震烈度为7级，转换层设计在第6层楼面，如图1所示。
3转换层型式的选择
1）梁式转换层。其具有传力明确、施工过程简洁、设计简单等特点。当建筑的上下轴线布置错位时，次梁就需要经过多次转换，进而使得空间受力变得错综复杂。
2）箱式转换层。其转换梁具有稳定性高、刚韧性强、整体感好、上下受力均衡等特点。在建筑转换层的功能方面，转换梁被当作“设备层”，且梁柱中间有许多的设备洞，使得建设过程变得复杂，成本也相应提高。
3）厚板式转换层。其上部框架结构的规划对下部柱网影响不大，下部柱网可随意布置，厚板刚度大，重量也大，由此形成了1个承接台，整体效果好，施工程序简单，但是厚板地震强度大，很容易形成震害，耗材量大，经济实用性差，成本高[1]。4）桁架式转换层。与别的转换层型式不同，框支柱柱顶弯矩和剪力的施工过程较为繁杂，且难度系数高，当发生轴线布置错位时，难度系数将会增大。将建筑布局的实际情况和施工难易程度、经济成本等方面综合起来考虑，则选择梁式转换层结构型式比较适合，该结构也被称作梁式框支剪力墙结构。
4梁式转换层的'结构设计重点
4.1明确抗震等级梁式转换层是一种最常见的高层建筑，由多种建筑结构型式共同组成，其转换层位于纯剪力墙结构和框架—剪力墙结构之间，不同于一般的框架或剪力墙结构。因此，其结构抗震等级的确定也更加严格，各个部位结构构件的抗震等级也应分别依照专门的规章制度来确定，这是整个设计的关键所在。表1为本建筑工程各部位的抗震等级，对于乙类建筑工程主要依照如下规定：如果此区域的抗震设防烈度6～8度时，应该要求该工程的抗震设防烈度增加1度，以此来达到本地区抗震设防烈度的要求。
4.2结构竖向布置为了防止刚度突变，一般高层建筑的侧向刚度都采用上窄下宽，与带转换层的高层建筑结构相反，因而在建筑设计过程中，针对性地对转换层结构的侧向刚度作了具体要求，即上下等效侧向刚度比值应在1左右，且不应超过1.3。在设计结构竖向时，应严格遵循弱上强下的原则。一般有如下几种方式。
1)与建筑专业协商，尽量增加贴地剪力墙的数目，在必要的时候可以在底部添设剪力墙(不伸上去)。核心筒部分的剪力墙根据相关要求必须设在底部。此外，还可通过进一步和建筑专业协商，在其两侧分别增加一片落地的剪力墙，底部强度在一定程度上会有所增强。
2)在转换层以下剪力墙中，可以适当增加底部剪力墙厚度，其余部分和核心筒部分的厚度均取600mm。3)为了减少刚度的变化，底部剪力墙最好不开洞或者只开小洞。
4)选用C45混凝土(除框支柱运用C50混凝土外)可以增加墙混凝土、底部柱抗压的强度等级。
5)为了增加建筑的稳定性，通常采用弱化转换层上部刚度的方式，主要通过在一些相对长的剪力墙中间打开结构洞(在施工结束后再用填充墙补全)，严格控制剪力墙厚度和数目等方法[2]。弱化上部刚度，一方面可以使得结构自振周期延长，地震作用力减弱；另一方面可以有效控制刚度比，同时建筑物的重量和框支梁承受的荷载也会相应有所减少。在工程结合了以上几种方法后，得到转换层上下刚度比在X方向为0.725，Y方向为0.813，符合要求，效果显著。竖向不规则结构是该工程的本质属性，所以，在上下部刚度比符合要求的前提下，还应将转换层和其下各层的地震剪力扩大1.15倍，以此来改善这两层之间的结构薄弱程度。4.2规划结构平面一个完整的工程结构布局一般由位于上部的纯剪力墙结构和下部的形态规则框架-剪力墙结构组成。
为了提高抗扭的等级，在规划结构平面时，要求剪力墙左右对称，偏心率很小，上下质量与刚度中心误差小于2m，沿周边均一分布不包括核心筒。相关计算结果表明，各层水平位移上限与层间位移比均小于1.4，扭转与平动第一自振周期比为0.85，都符合严控扭转和平面规划的规定。由此可见，合理规划工程结构布局可以在一定程度上增强抗扭效果。
5转换构件设计要求
5.1框支柱为了确保框支柱有最大化的抗压能力，需对轴压比进行严格把握，且轴压比决定截面尺寸，其中框支柱截面尺寸应符合剪压比规定。框支柱作为工程至关重要的核心部分，抗震级别为特一级，轴压比应小于0.6，对部分"短柱"轴压比应小于0.55，短柱主要是由于截面尺寸过大而形成。
此外，截面延性与配箍率有着密不可分的联系，使得配箍率与一般框架柱相比大很多。在建筑工程施工过程中，箍筋需大于，全长被加密，同时配箍率应大于1.5%，但是有少数支柱同时被当做剪力墙端柱，对此配箍特征值需大于0.2，等价于配箍率(C50混凝土)2.64%;由此看来，采取措施控制边缘构件的配箍特征值显得尤为重要。与此同时，柱端剪力和弯矩都需扩大一定的倍数，每层所负荷的剪力之和为基底的3/10，以此提高框支柱的安全系数[3]。在软件程序计算时，理论上假设楼板刚韧性很大，剪力按照竖向的刚性水平分布，这样使得框支柱远小于底部剪力墙刚度，剪力变得很小。但是，在实际工程中，当出现楼板扭曲或剪力墙刚性突变时，框支柱剪力就会变大，为此对其作了针对性的规定。除此之外，为了增加转换层的稳定性，通过将支柱上部结构的部分纵筋与下部结构相连接，剩余的纵筋水平插入梁板内，达到锚固强度要求。
5.2框支梁截面尺寸截面尺寸高度大于理论高度的1/6，宽度大于400mm，且大于其上部墙厚度的2倍，通常由剪压比决定。框支柱在整个建筑中是一个错综复杂且必不可少的受力结构，它不仅是上部和下部负载重量的传送带，而且处于确保剪力墙抗压和抗倒塌的重要位置。所以，在设计框支梁截面尺寸时，要充分考虑工程的安全性，特一级抗震条件下的框支梁纵筋配筋率应大于0.6%，在符合计算的前提下，框支梁配筋率大于0.8%。框支梁中存在轴力，通常为重心偏离的受拉部件，因此需要配备更多可插进支座内部、梁高间隔小于200mm，φ16mm的腰筋。针对如此重要的抗压抗震构件，应该在设计时遵循“强剪弱弯”的规则，在纵筋配置充足时，就更需要增强箍筋。箍筋全长都需加密，用的8肢箍，配箍率高达1.53%，最大限度地符合特一级抗震级别框支梁配箍率要求。
5.3转换层楼板以转换层为界限将框支剪力墙结构分为上部和下部，其内部受力按不同的规律分布。上部楼层根据各部分剪力墙的等效刚度比值进行负载水平力的分配，而下部楼层的水平剪力主要分布在落地剪力墙上，且其与框支柱间刚度不同，使得转换层在分配所负荷的重力时发生变化。转换层的楼板本身受到很大的重力，且容易变形，通常扮演着分配上部和下部楼层受力的角色，因此楼板必须具备一定的刚度。此外，为了帮助转换层楼板更好地完成剪力重分配工作，上下层楼板选用厚度均150mm。
6结语
总而言之，在高层建筑梁式转换成结构设计时，需要根据建筑的设计要求和功能要求科学地进行转换层形式的选择，根据各个部位抗震等级的要求，合理地对结构进行布置，以保证高层建筑的质量。
【参考文献】
【1】JGJ3—2002.高层建筑混凝土结构技术规程[S].
【2】章斌全.框支剪力墙转换层结构设计探索[J].工程建设与设计，2003(2):8-10.
【3】高雪峰.转换层结构设计的改进建议[J].建筑技术开发，2003(3):6-7.
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