摘要：目前，我国建筑行业发展迅猛，底部为商业或停车库等大空间布置、上部为普通住宅的高层建筑随处可见。这类建筑，上部为住宅，多为剪力墙结构；而下部大空间则要求墙尽量少，导致部分剪力墙无法落地，需要在上部楼层进行转换。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。本文对某高层住宅项目地上与地下所用结构进行分析和探讨，研究了此类地下转换高层建筑的结构布置、结构选型、嵌固端选择、抗震等级等进行了研究。地下转换高层建筑和地面建筑的结构设计要分别对待，按照相应情况使用相应的结构设计。
关键词：框支剪力墙结构；高层建筑；结构选型；转换层；抗震等级
1 工程概况
本文以某高层住宅建筑项目为例，此项目规划总占地面积57355m2，总建筑面积185465m2，其中地下建筑面积61000m2，地上建筑面积124465m2。当中包含高层住宅、幼儿园、回迁房和地下车库等，其中6252地块项目由3栋高层住宅和2栋多层配套公建组成。高层住宅地下两层均为大型车库(其中地下二层为核6级、常6级人防地下室)，地上建筑分为三个单体(3～5#住宅)，地面以下单体范围内设有夹层，地上8～16层，房屋高度为25m～51m。本文讨论单体中5#住宅楼的结构设计。对于高层住宅地上采用钢筋混凝土剪力墙结构，地下夹层以下由于停车库大空间要求采用部分框支剪力墙结构，纯地库部分采用框架结构。本工程抗震设防烈度为8度(0.20g)，第二组，Ⅱ类场地土，设计特征周期为0.40s。结构计算嵌固端取为地下室顶板，底部加强部位为地面以上两层。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3―2010）和《建筑抗震设计规范》（GB50011―2010）（2016年版），转换层以下主楼及其相邻两跨结构构件抗震等级为一级，底部加强部位的剪力墙抗震等级为一级，非底部加强部位的剪力墙为二级，其他纯地下室框架的抗震等级为四级。
2 结构设计及分析
2.1 结构选型及布置
根据高层住宅建筑和地下室的使用功能等特点，此工程地上建筑均使用剪力墙结构体系，地下一、二层使用部分框支剪力墙结构体系，地下2层均为停车库，停车位和车道均需要大空间，为此上部单体在车库以上需要对部分剪力墙进行结构转换。剪力墙和转换层结构平面布置见图1、图2,局部剖面示意图见图3。现今，国内外常见的转换层主要有：厚板式转换、桁架式转换、梁式转换、箱型转换等通过水平构件转换的结构形式，以及V形柱、4柱等新型的转换形式[1]。
图1 转换层上部剪力墙平面布置图
图2 转换层结构平面布置图
图3 转换层局部剖面示意图选择位置
根据此工程的各项特点，可以使用现今最常见的梁式转换形式，其传力直接明了，施工方便，有较好的经济性，算法较为简便,符合绿色建筑要求。剪力墙结构及框支框架布置的原则为:（1）尽力将剪力墙布置在上下贯通的地方，例如电梯筒和楼梯间，达到减少转换的目的；（2）尽量使水平转换构件传力直接，避免多级复杂的转换，使得结构平面质心和刚心尽量重合，避免或减弱扭转的不利影响，比如减少需要设置转换次梁的剪力墙布置；（3）尽量强化转换层下部结构侧向刚度，弱化转换层上部结构侧向刚度，比如减少上部剪力墙数量，加厚落地剪力墙。
2.2工程地质情况及基础选型
根据项目地勘报告显示，场地地形起伏不大较为平整，场区内无不良地质作用，场地稳定、地基均匀。基础持力层为④层卵石层或是⑤层稍密卵石层，其地基承载力标准值fka为250kPa～300kPa。经初算及分析，部分框支剪力墙结构的落地剪力墙基础应有良好的整体性和抗转动的能力，基础形式采用筏板基础，经计算分析，采取天然地基能够满足建筑物的承载力及沉降变形要求。
2.3 结构计算嵌固端的确定
选择高层建筑结构的嵌固端是计算结构中重要的简化假定，如果是多层地下室建筑，会因为地下一层以下的楼层不需要计算地震作用，也不需要考虑承受风荷载的情况，很多的高层建筑结构嵌固端会选择在地下室顶板位置。将嵌固端选择在地下室顶板处，是最正确、经济的选择，如果减低嵌固位置，结构的整体范围就会增加，造成相应的费用也不断增加。地下室顶板作为嵌固端有许多的要求[2]。（1)顶板刚度要求:应采用现浇梁板结构，混凝土等级不宜小于C30，避免开大洞，板厚不小于180mm，应双层双向配筋，每层每向配筋率不小于0.25%。（2)上下刚度比要求:相关范围地下一层与地上一层的侧向刚度比不宜小于2。
此工程就有多层地下室，室内外高度相差0.3米，周围土体对地下室其中约束的效果，如果楼层的刚度比达到规范标准，就可以使用地下室顶板做结构嵌固端。不考虑回填土对地下室楼层侧向刚度的贡献，计算楼层的侧向剪切刚度比见表1。可见，地下夹层与地上一层X、Y向刚度比满足不宜小于2.0，故选取地下室顶板作为结构的嵌固端。对于本工程，为满足嵌固端的刚度比条件，须增大地下夹层的刚度，而地下一层为转换层，这势必减小转换层与上层刚度比，因此需合理确定地下一层至地上一层各层的侧向刚度，经计算转换层上下刚度比计算结果见表2，满足规范要求。
表 1 楼层侧向剪切刚度比。
2.4 结构抗震等级的确定
除了高层建筑结构选型和嵌固端确定，抗震等级也是十分关键的。如果是地面转换高层建筑结构，要根据《高规》中部分框支剪力墙结构，能够较简单的确定出抗震等级，但是地下转换高层建筑结构，对抗震等级的确定就比较困难。例如广东地区的地方规定(DB15—92—2013)的第11.2.6条规定对于转换层设于地下室顶板或地下层时，该层楼盖的构造应满足一般结构转换层的要求，但结构可按一般框架-剪力墙、剪力墙或筒体结构控制最大适用高度及采取相应的抗震构造措施。根据本文中提到的工程转换层处于地下层的情况，在分析计算整个结构时，要按照一般的剪力墙结构进行，地下夹层及以上的剪力墙结构抗震等级定为二级，地下一、二层框支架根据部分框支剪力墙结构将抗震等级定为一级，对于剪力墙的抗震等级，考虑到地下室顶板作为嵌固端时，地下一层以下抗震构造措施的抗震等级可以逐层降低，又考虑到部分框支剪力墙结构的不利影响，因此采取不提高也不降低的措施，剪力墙抗震等级同地上。
2.5 结构分析计算
本工程采用SATWE软件进行结构三维整体计算，采用SATWE软件中的框支剪力墙有限元FEQ模块对框支框架进行补充应力分析,框支剪力墙结构计算时应注意：
（1）转换层上部的竖向构件应直接落在转换层主结构上。当结构竖向布置复杂，框支主梁承托剪力墙并承托转换次梁及其上剪力墙时，应进行应力分析，按应力校核配筋，并加强构造措施。框支剪力墙结构计算应采用墙（壳）元模型，如SATWE、PMSAP等。
（2）“壳元”最大边长这个参数应尽量小，这是为了使转换梁与上部剪力墙协调点多一些，变形协调更合理。
（3）转换梁应考虑轴向变形的影响，所以要考虑弹性楼板，转换梁才能算出轴力。
2.6 主要抗震加强措施
本工程虽然层数不多，但平面及竖向布置复杂，须对主要构件采取必要的加强措施，以达到抗震设防目标。
1）框支框架。受限于建筑车位需求，框支柱的位置难以调整，且建筑层高有限，造成部分转换梁梁端抗剪超限严重，梁端加腋也无法解决。经过反复讨论、试验和计算，部分框支梁采用了型钢混凝土梁，解决了梁端抗剪超限问题。框支框架的抗震等级为一级，框支柱轴压比限值按0.6。
2）落地剪力墙。控制其承担的地震倾覆力矩大于总地震倾覆力矩的50%。底部加强部位的剪力墙抗震等级为一级。
3） 转换层楼板。《高层建筑混凝土结构技术规程》第10.2.23条对转换层楼板有详细规定，本工程转换层楼板厚度为180mm，双层双向配筋，配筋率为0.25%。
3 结论
综上所述，转换层位于地下室的高层建筑结构主要具有以下几点：
1）转换层的高度是整个转换结构抗震能力的重要因素，地下转换高层建筑结构不同于地面转换高层建筑结构，地下要按部分框支剪力墙结构进行设计，而地上则按普通剪力墙结构进行设计。
2）由于转换结构是局部竖向不规则的结构，就应该按照建筑的特点，应重视概念设计，结构整体计算结果应分析、比较，调整各项主要指标符合规范要求，从而对转换形式进行合理、经济的选择。
3）要根据地下转换高层建筑的结构特征，对结构的主要构件、薄弱部位等应采取必要的加强措施。如框支剪力墙结构中的框支框架、落地剪力墙和转换层楼板等，对其抗震等级进行合理、有效的确保，提升框支框架，也不能对剪力墙结构相对地上结构进行降低。
4）在选择嵌固端位置时要结合各自情况，对拥有多层地下室的高层建筑，将嵌固端选择在地下室顶板是最经济、正确的选择。
参考文献：
[1] 刘卫平. 高层结构嵌固端选取研究分析[J]. 建筑技术开发. 2018(03)
[2] 洪建艺. 高层建筑结构嵌固端的理解及运用[J]. 河南建材. 2018(01)
[3] 拜艳霞. 高层建筑结构设计中存在的问题及对策探讨[J]. 居舍. 2019(03)
论文作者:付秋利,邓立
论文发表刊物:《防护工程》2019年第7期
论文发表时间:2019/7/1
标签：结构论文; 剪力墙论文; 刚度论文; 地下室论文; 地下论文; 顶板论文; 等级论文; 《防护工程》2019年第7期论文;