云南大学建筑与规划学院
摘要：随着我国高层建筑的迅速发展，以及对建筑结构多功能的要求，带转换层的建筑结构孕育而生，且转换层的设置位置也越来越高。结构转换型式的选择和转换结构构件的布置等直接关系到整个结构设计的安全和合理。本文就带转换层的框支剪力墙结构设计进行了分析探讨。
关键词：转换层；框支剪力墙；结构设计
1.工程概况
本项目集商业、办公、娱乐、餐饮等综合体建筑，其中办公和商业各不干扰。A～C栋位于南区南侧，均为27层，D～E栋位于北区北侧，D栋28层E栋27层。地下设有三层停车场，地上有五层裙楼，室内为大开间可自由分隔的商业空间，首层为百货公司、专业店、部分公建配套用房、办公入口门厅，二层～五层为各类商业区域，设置了百货、餐饮、影城、功能店等。总平面图见图1（其中阴影部分D栋），透视效果图见图2图中右侧为北侧建筑）。
本文选取其中北侧的D栋为算例，建筑共二十八层，其中裙房五层，一～五层为图书中心，六层及以上为公寓式写字楼，地下三层。建筑总高度为99.7m，其中一至四层层高为4.5m，五层为5.8m，标准层层高为3.3m。其建筑平面图见图3。
本工程转换层设置在五层顶，属于高位转换结构，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010（以下称《高规》）规定：当转换层的位置设置在3层及3层以上时，其框支柱、剪力墙底部加强部位的抗震等级宜按框支剪力墙结构规定的抗震等级提高一级，框支层及以下一层的框支柱及落地剪力墙抗震等级为特一级，所以根据结构抗震设计中“强柱弱梁”的基本思想，《高规》规定特一级框支柱宜采用型钢混凝土柱、钢管混凝土杆。结构抗震等级见表2：
表2结构抗震等级
3.转换层位于不同位置时的有限元模型介绍
为了便于分析比较，本文地下室不参与整体结构计算，通过增加转换层下部结构层数，相应减少转换层上部结构层，保持结构的总高度基本不变的基础上，将转换层分别设置在地上三层、五层、七层、十层，建立四个空间组合有限元结构计算模型来分析转换层位于不同位置对整体结构和转换梁本身抗震性能的影响。模型的立面效果见如图5所示：
模型1：结构总层数29层，其中转换层位于3层，结构总高度H=4.5×2+5.8+3.3×23+3.0×3=99.7m
模型2：结构总层数28层，其中转换层位于5层，结构总高度H=4.5×4+5.8+3.3×23=99.7m
模型3：结构总层数27层，其中转换层位于7层，转换层位于7层，结构总高度H=4.5×6+5.8+3.3×16+3.5×4=99.6m
模型4：结构总层数26层，其中转换层位于10层，结构总高度H=4.5×9+5.8+3.3×13+3.5×3=99.7m 以上四个模型均考虑楼电梯屋顶层。
4.转换层位于不同位置时的刚度比
以转换层在5层为例计算各层x和Y向对应的三种刚度值，结果见表4.2-1，四个模型转换层刚度比指标见表4。
由表4看出1～4层的剪切刚度比第20层以上的刚度大，而模型2、模型3、模型4是增加下部楼层的层数而相应减少上部剪力墙结构的层数，所以四个模型的整体结构的刚度为模型4>模型3>模型2>模型1。楼层侧向刚度比除了在转换层上一层比转换层大外，其余层均为逐层减少。
（备注：?e1为转换层与其相邻上层结构的等效剪切刚度比，?e1为转换层下部结构与上部结构的等效侧向刚度比，?1为按地震剪力与地震层间位移的比计算的转换层楼层与其相邻上层的侧向刚度比，?2为按地震剪力与地震层间位移角的比计算的转换层楼层与其相邻上层的侧向刚度比楼层侧向刚度。
由表5看出：当结构各构件相同时，转换层上下的剪切刚度比与转换层的位置无关；转换层与转换层上层的剪弯刚度（等效侧向刚度）比随转换层高度增大而增大，且比规范值的下限值（不小于0.8大很多；而楼层侧向刚度比随转换层高度增大而减小四个模型的剪切刚度比和剪弯刚度比均满足规范要求，而?1（按地震剪力与地震层间位移的比计算）X向均能满足规范不小于0.6的限值，模型3，4的Y向不满足规范的要求；?2（按地震剪力与地震层间位移角的比计算）X向均能满足规范不小于0.9的限值，模型4的Y向不满足规范的要求。所以，随着转换层高度的升高，结构形成薄弱层的可能性更大。对于转换层位置较高的结构不能仅用一种刚度比简单加以判断结构刚度的突变，需通过两项及以上刚度比指标综合判定，方可有效控制转换层上下结构刚度的突变。
5.转换层位于不同位置时的抗震性能分析
5.1对结构动力特性的影响
反应谱法是一种以随机振动理论为基础推导来的近似方法，常用的是一种考虑了振型之间祸合的方法即CQC振型组合法。应用CQC法需要确定合理的组合振型数，我国《高规》采用参与地震作用的结构有效质量系数来判断组合振型数的选取是否合理。
SATWE对振动周期的判断标准是：当某周期的平动系数为1时，则此周期为纯平动周期；纯扭转振动周期的对应的扭转系数等于1，当周期的扭转系数大于0.5时称为扭振周期，反之称为侧移周期。
本工程振型数取18，X，Y向的有效质量系数均大于90%，满足规范要求。
5.2框支柱的截面尺寸变化对位移角的影响分析
为了研究框支柱截面变化对位移角的影响，加大角柱的截面尺寸，转换层柱由1000×1000（内配钢管中600×20）增大为1200×1200（内配钢管中800×25），转换层下部柱由1000×1200减小为1200×1200。采用SATWE软件进行分析计算，转换层与上一层的刚度比指标见表4.4-1，四个计算模型的转换层位移角与上层位移角的比值计算结果见表6。
表6四个模型转换层与转换层上层的刚度比指标
（1）由表6可见增大框支柱的截面，转换层与上一层的剪切刚度比?e1，和剪弯刚度比有明显的增大，X向增大的幅度比Y向多，这是由于X向的截面尺寸增大幅度比Y向的大。转换层与其相邻上层的侧向刚度比变化较小，X向的侧向刚度比随柱截面增大而增大，转换层在3层时Y向的侧向刚度比也随着增大，但是转换层在5、7、10层反而减小。由此可知通过增加框支柱的截面尺寸来调整转换层的上下刚度比是无效的。
（2）由表7可见随着框支柱的截面的增大，X向转换层位移角与上层位移角的比值减小，随着转换层位置的提高，变化幅度减小；而Y向转换层位移角与上层位移角的比值反而略有增大。由此可知通过增加框支柱的截面尺寸来调整转换层的上下的位移角比成效是很小的。
6.结束语
（1）最大层间位移角均出现在结构的中上部楼层，在转换层附近的层间位移角有突变，转换层位置的位移角比转换层上层的位移角小，转换层上两层的突变最大，随着转换层位置的升高，转换层上两层的突变逐渐加大，转换层在l0层时突变最大。所以抗震设计时需加强转换上两层的构造措施。
（2）随着转换层位置的提高，转换层位移角与上层位移角的比值增大，位移角的突变增大。不能仅用位移角判断转换层的抗震性能，需要控制转换层与上一层的位移角比值，转换层层数较高时更需要加强底部的抗震措施，调整底部大开间的结构布置。
（3）随着转换层位置的提高，楼层的地震反应曲线越弯折，且转换层下部的第3～5层地震反应反而增大。说明转换层及以下附近楼层的地震反应较大，需要加强这些部位的抗震构造措施。
（4）转换层位置越高，转换层楼面的面内变形越大，引起框支柱的剪力显著增加为避免落地剪力墙出现裂缝后刚度下降，导致框支柱的剪力增加，建议当框支层为7层以上时适当提高每层框支柱承受剪力之和占基底剪力的百分比。
（5）通过增加框支柱的截面尺寸来调整转换层的上下的位移角比成效很小。
（6）通过增加剪力墙来调整结构的刚心，使刚心与质量形心基本重合，就能有效地减小转换层上下的位移角比。
参考文献：
[1]赵西安，郝瑞坤，黄宝清.高层建筑转换层结构设计及工程实例[M].北京：中国建筑科学院结构研究所，1993.
[2]李国胜.多高层建筑转换结构设计要点与实例[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.
[3]陈超云，傅学怡.转换梁刚度对柱剪力墙梁式转换结构抗震性能的影响[J].建筑科学，2004（01）.
论文作者:罗扬1,许合权2
论文发表刊物:《基层建设》2017年3期
论文发表时间:2017/5/5
标签：刚度论文; 位移论文; 结构论文; 模型论文; 截面论文; 支柱论文; 剪力论文; 《基层建设》2017年3期论文;