肇庆市城市规划设计院 广东肇庆 526000
摘要：当前，高层建筑朝着多功能、综合使用的方向发展，转换层结构的应用也越来越广泛。本文结合某工程项目实例，对高层建筑的转换层结构设计展开了研究，并进行了详细的介绍，为类似工程转换层结构设计提供参考。
关键词：高层建筑；转换层；结构设计
随着社会的不断进步，人们对建筑的使用需求越来越高，高层建筑也朝着复杂化、多功能化、满足综合使用性能的方向发展。为了满足建筑复杂的使用性能需求，需要在不同结构形式的上下部之间设置转换层。如何合理选择转换层结构形式，设计转换层结构成为了当前的一个重点问题。
1工程概况
某工程项目由地面5栋高层楼房以及2层地下室组成。4-A、4-B塔楼地上25层，4-C、4-D、4-E塔楼地上26层，由于建筑功能的需求，结构在4层转换，均采用部分框支剪力墙结构，均存在扭转不规则、竖向构件不连续，为B级高度的限高层建筑。5栋塔楼转换情况类似，4-E塔楼落地剪力墙较少，转换特点比较突出，本文以4-E塔楼为例，重点介绍结构转换层设计研究情况。
本工程风荷载按照《建筑结构荷载规范》(DBJ15-101—2014)，基本风压为0.70kN/m2，地面粗糙度为C类。抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类。结构设计使用年限为50年，结构安全等级为二级，建筑结构抗震设防类别为丙类。
2结构体系
4-E塔楼建筑平面狭长，结构高度为119.95m，结构长度为69.20m，结构宽度为20.85m，结构高宽比为5.7，结构长宽比为3.5，落地剪力墙之间间距为17m，转换梁最大跨度为12m，结构平面布置如图1所示。
图1转换层下一层结构平面图
楼面结构采用现浇钢筋混凝土楼盖体系，结构墙柱、梁板截面尺寸见表1。结构转换体系关系见图2。
表1 构件尺寸
图2转换层布置
3转换层结构有限元分析
对于转换结构，SATWE软件对转换层上部剪力墙用墙单元模拟，对框支梁用梁单元模拟，并不能反映框支梁的真实受力状态，使得框支梁本身的内力分析结果及其所支撑的剪力墙(特别是转换层上一层剪力墙)的内力分析结果有所失真。在SATWE模型中，墙与梁之间的实际协调工作关系在计算模型中没有很好的体现。
框支梁在SATWE模型中因为刚度未得到准确模拟，特别是框支梁和框支柱都简化为杆单元，而将梁柱刚域简化为节点时，相当于弱化了框支梁的刚度，而增大了框支梁的计算跨度。这样的处理带来两个问题，一是梁端计算剪力过大，容易在模型中出现“抗剪截面不够”的结果，而实际上从节点到柱边的刚域范围内是不可能出现抗剪问题的，真正令工程师关心的应该是柱边梁端的剪力值;二是转换上一层剪力墙在重力荷载下剪力比较大，容易出现剪力墙抗剪筋的情况。
本工程转换层结构计算主要采用ETABS、MIDASBuilding两套软件进行比较复核，其中梁、柱、楼板、墙体均采用壳单元。
3.1模型建立
转换层有限元分析模型做如下处理:1)框支梁采用壳单元分析，壳单元细分尺寸为0.3m;2)把转换层以上4层的剪力墙墙单元细分，细分尺寸同转换梁，按0.3m细分;3)框支梁及以上的剪力墙网格细分后同时细分周边的梁、柱，并保持节点自由度耦合;4)转换层及其上两层的楼板作为弹性板参与整体结构分析，其它楼层楼板按刚性板考虑;5)未细分的墙、板单元由程序按最大尺寸为1.5m自动划分单元;6)构件进行有限元网格细分后，每个构件因细分产生的边界节点均与相邻构件细分节点相耦合，保证相邻节点处位移完全协调一致。
3.2荷载工况
以下给出典型的两种荷载组合的最大主应力和平面内最大剪切应力计算结果。
荷载组合如下:荷载组合1为1.35DL+0.98LL;荷载组合2为1.2(DL+0.5LL)+0.28WX+1.3EX;荷载组合3为1.2(DL+0.5LL)+0.28WY+1.3EY;其中，DL为恒载;LL为活载;EX、EY分别为X、Y方向地震作用;WX、WY分别为X、Y方向风荷载作用。
3.3分析结果
框支梁受拉正应力大部分在5.4N/mm2以下，通过配置HRB400钢筋配筋率在1.5%左右即可满足抗拉承载力要求。框支梁受压正应力大部分在25.0N/mm2以下(混凝土C55抗压强度设计值25.3N/mm2)。转换梁最大剪应力大部分在3.00N/mm2以下(混凝土C55抗剪强度设计值2.96N/mm2)。
在中震荷载工况下，楼板作为传递和分配水平力的角色而参与到抗侧力体系之中，协调同一楼层中各竖向构件的变形。楼板的抗震设计，除了需要考虑竖向荷载引起的平面外弯矩之外，尚应考虑在协调变形、传递和分配水平力时产生的平面内剪力和轴力。
4转换层的刚度
本工程转换层位于4层，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3—2010)(简称高规)附录E，转换层下部与上部的刚度比应按照E.0.3条的剪弯刚度来计算复核，且刚度比不应小于0.8。为更准确的计算转换层与上层的结构刚度比，本工程补充高规附录E.0.1条的剪切刚度算法，且刚度比不应小于0.5。另外还补充高规计算剪力墙结构的楼层剪力与位移角的比值算法和《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)(简称抗规)楼层剪力与位移的比值算法，其下、上两层刚度比的控制值分别为0.9和0.7，计算结果如表2所示，均满足规范要求。
表2 转换层与上层刚度比
高规3.5.8条规定:“抗震设计时，结构竖向抗侧力构件宜上、下连续贯通，对于不满足要求的楼层，其对应于地震作用标准值的剪力应乘以1.25的增大系数。”本工程采用目前规范中提到的四种刚度比算法，均已经验证转换层与上层结构的刚度比满足规范要求，即不属于规范中提到的“软弱层”也不是“薄弱层”。故本工程的转换层按照高规3.5.8条，将地震作用标准值的剪力乘以1.25的增大系数不尽合理。
5框支柱的内力放大系数
5.1底部加强部位内力增大系数汇总
归纳高规关于底部加强部位内力增大系数以及摘自规范的条文汇总如表7所示。框支角柱在一般框支柱弯矩和剪力增大的基础上再乘以1.1的增大系数。
5.2框支柱设计内力调整实例
取本工程的一框支角柱KZZ01作为算例，该柱截面为1700×1700，混凝土强度等级C70。在X向地震作用下。第4层转换层的楼层剪力为10873kN，SATWE计算输出结果，在X向地震作用下，KZZ01计算剪压比时，该柱的剪力为11136kN，显然计算减压比时，该柱承担的剪力大于该楼层的整个楼层剪力，统计SATWE计算各工况未调整剪力见表3。
表3 KZZ01各荷载工况未调整剪力
表9 剪力调整系数
未调整的剪力设计值:
Vx=1.2×(2129.1+0.5×423)+0.28×125.9+1.3×1.087×1.0×1.25×283.2)=3344.2kN
经过调整后的剪力设计值:
Vx=3.33×［1.2×(2129.1+0.5×423)+0.28×125.9+1.3×1.087×1.0×1.25×283.2)］=11136.2kN
将该结构进行大震等效弹性反应谱分析，KZZ01在各工况下的剪力见表4。
表4 KZZ01大震工况剪力
大震的剪力设计值为:
Vx=2132.0+0.5×425.7+2403.8=4748.7kN其结果一目了然，KZZ01小震作用下经过调整后的剪力11136.2kN远远大于大震作用下的剪力设计值4748.7kN。显然这是框支柱各项剪力放大系数连乘的结果。
5.3框支柱剪力放大系数的建议
在计算框支柱的剪压比时，存在的问题及解决建议如下:
(1)现行规范的剪力增大系数都是多个系数连乘，单个系数本身的取值存在偏差，连乘后形成误差积累，与真实结构受力情况不符。
(2)风荷载引起的剪力放大3.33倍，没必要，风荷载工况在与小震工况组合时，风荷载的组合值系数为0.02，就是考虑到风荷载和地震荷载的组合概率极小，而此处将风荷载引起的剪力放大3.33倍，有违乘以风荷载组合值系数之意。
(3)至于地震工况引起的剪力，放大3.33倍，为多个系数连乘的结果，存在误差积累之嫌。
(4)框支框架的中震弹性分析表明，在小震工况多个放大系数连乘的基础上，中震弹性的剪力比小震弹性小。
(5)大震弹塑性时程分析结果表明，框支框架基本没有出现损伤，首先屈服的是框支框架以上的楼层的连梁，其次是剪力墙，框支框架基本处于弹性，按小震构件承载力设计，大震下框支框架安全。
(6)对于部分框支剪力墙结构，分析结果表明，框支柱截面基本为小震剪压比控制，在小震工况一系列内力增大系数的连乘下，大震下框支柱保持弹性。建议规范不应过严的控制框支柱的剪压比，计算剪压比的剪力取值时，直接取大震分析的结果。
6结论
综上所述，由于转换层结构各种形式的力学性能、经济效益以及功能各不相同。因此，在建筑转换层结构设计过程中，必须要结合工程的实际需求，选择合理的转换结构形式进行设计，从而提高设计质量，保障工程的整体结构性能和质量，提高项目施工的经济效益。
参考文献
[1]高层建筑转换层结构设计的探讨[J].张林晨.住宅与房地产.2016(21)
[2]高层建筑结构中的抗扭设计[J].李风威.建筑知识.2016(02)
论文作者:黎卓宗
论文发表刊物:《基层建设》2018年第6期
论文发表时间:2018/5/25
标签：剪力论文; 荷载论文; 结构论文; 刚度论文; 系数论文; 工况论文; 组合论文; 《基层建设》2018年第6期论文;