上海市建工设计研究总院有限公司 200235
摘要：转换层的存在可以给建筑物提供较大的室内空间，为建筑物提供大的入口，在高层建筑中部提供大空间，由于其优点所在，使得现阶段转换层的应用已经非常广泛。文中笔者对带结构转换层的高层建筑结构设计进行了分析，并结合实例进行了探讨，以供参考借鉴。
关键词：高层建筑；转换层；结构设计；超限
1转换层结构设计方法及要点
建筑物某楼层的上部与下部因平面使用功能不同，该楼层上部与下部采用不同结构（设备）类型，并通过该楼层进行结构（设备）转换，则该楼层称为结构（设备）转换层。现阶段我们国家高层建筑的功能布局一般底层为商用，上部主要以办公、居住为主，商用部分楼层往往需要的是大空间，上部办公、居住则与之不同，往往为结构单一小空间为主，这种情况下则需要采取合理的结构形式进行处理。我们在实际工作中转换层结构设计方法和要点应遵循以下两点：
1.1转换层结构设计方法
1）减少转换，尽量避免多级转换
在进行结构设计时，应对项目要求和实际结构形式进行充分研究分析，注意力要明确、直接，以避免多级的转换。布置转换层上下主题竖向结构时，注意使尽可能多的上部竖向结构能向下落地连续贯通，尤其框架-核心筒中核心筒应上下贯通。
2）强化下部，弱化上部
强化转换层下部结构侧向刚度，弱化上部刚度，使转换层上下刚度尽量接近，平滑过渡。
3）计算分析全面细致
在结构设计过程中，转换层结构的设计是设计中的一个重点，其受力状态则会直接影响到整体结构是否合理，为后期质量做出保障。采用复合实际受力状态的计算模型进行三维空间整体结构计算分析。必要时可采用有限元分析方法对转换结构进行补充计算。
1.2转换层结构设计要点
1）转换结构构件的水平地震作用计算内力应分别乘以增大系数1.9（特一级）、1.6（一级）、1.3（二级）。
2）转换层与其上层的抗侧刚度比应满足《高规》附录E的规定。在实际工程中转换层设在1、2层时，一般很难两个方向都接近1，一个方向大于0.5，另一个方向达到0.8就比较理想了。
3）框支框架承担的地震倾覆力矩小应于结构总地震倾覆力矩的50%。
4）部分框支剪力墙结构框支柱承受的水平地震剪力标准值应满足《高规》10.2.17的要求。特别注意薄弱层要按《高规》3.5.8条进行调整。
2工程概况
上海长宁临空16-1地块宾馆项目位于长宁区新泾镇342街坊5丘，协和路以东，北翟路以南，基地基本为梯形。基地面积15230.9 平方米。地上为一栋10层的酒店，地下2层。地上计容建筑面积38077㎡。主楼屋面高度39.55米，地下总高度为9.4米。项目结构采用框架剪力墙（局部型钢混凝土结构）体系，上部四层有大跨转换与悬挑转换；该结构三层以上楼板开洞面积率为32%，有效板宽为47%。
2.1超限情况的认定及结构抗震目标
1）单体超限情况的认定
根据《超限高层建筑工程抗震设计指南》及建设部《超限高层建筑工程抗震设防专项审察技术要点》 等相关文件[1]，本单体主楼面高度40米，未超过120米，不形成高度超限；
根据建设部《超限高层建筑工程抗震设防专项审察技术要点》，结合《上海市超限高层建筑抗震设防管理实施细则》“沪建建【2003】702号”文，进行超限高层的判定。经过分析本项目超限高层的判定《专项审察技术要点》已达五项，《上海市超限高层建筑抗震设防管理实施细则》达到二项，由此符合三项及三项以上不规则的高层建筑工程属于超限高层。
2.2结构抗震目标
由于本项目属于超限结构体系，依据建设部有关文件和工程的重要性，进行了抗震超限专项审查，结合“抗震设防专项审查意见”，提出结构抗震设计性能目标，并同时考虑转换层楼板有些部位可能出现拉力，应计算清楚并采取措施，控制裂缝[1]。
3基础设计
3.1地质概况
本工程勘察报告（《上海虹桥临空经济园区16-1地块岩土工程勘察报告》2013年7月，编号13-10-13详勘）由上海光华勘测设计院有限公司提供。根据勘查报告，拟建场区各地基土层厚度变化小，分布稳定，无暗浜和液化土层分布，属稳定场地，适宜本工程的建设。建筑场地类别为Ⅳ类。拟建场地属抗震一般地段。在地表下20.0m深度范围内无独立成层的饱和砂质粉土或砂土层分布，场地在抗震设防烈度7度时属不液化场地。故在设计时可不考虑地基土的地震液化问题。
图1基础平面布置图
3.2桩型选择
桩型选择的优劣将会直接工程后期的质量问题，在选型时应对工程各方面条件进行研究分析，尤其是建筑物的特征、地形、工程地质条件、施工机械设备、施工环境、施工经验、各种桩施工法等，通过专家审核认证通过后选择安全、经济合理适用的桩型和施工工艺。本工程中，设计人员充分考虑以上因素的同时还对基地的地质条件、上部结构类型、荷载特征、施工技术条件与环境、环境因素、造价因素、工期因素、安全因素等进行考量。通过分析研究，最终本工程采用Φ500mm的PHC桩，桩长26米；估算单桩竖向承载力设计值为1250KN。抗拔桩型选用Φ500mm的的PHC桩，桩长26米；估算单桩竖向抗拔承载力设计值为600KN。
3.3持力层选择
地基持力层的选择应该从地基、基础和上部结构的整体性出发，综合考虑场地的土层分布情况和土层的物理力学性质，以及建筑物的体型、结构类型和荷载的性质与大小等情况。结合本工程材料，持力层选择的预分析如下：
10层酒店高层建筑，竖向荷载不是很大，因此选用⑤2-3层灰色粉砂作为桩基的持力层。二层地下室考虑⑤2-3层灰色粉砂作为桩基（抗拔桩）的持力层。基础采用桩筏基础，筏板厚度600mm，局部柱加厚至1300。混凝土等级C35，抗渗等级为P8。经计算，该工程最终沉降量为21.5mm，小于40mm，且比较均匀。
4主体结构设计及计算
本工程采用框架剪力墙结构体系。建筑结构室外地坪以上10层，一层层高为5.1m，二层层高为4.5m，三层层高5.2m，四层层高为3.6m，标准层层高为3.5m，屋面距室外地坪高度为39.55米，地下2层，地下一层层高5.4，地下二层层高4m，基础埋深10.2m。建筑与地下车库相连。4层为转换层，大跨与长悬挑的地方用3品整层高的桁架作为转换构件，分布于四个转角位置，桁架上下弦用型钢混凝土梁，腹杆用钢结构杆件。转换层上部为混凝土框架剪力墙结构。
地下一层顶板厚度均采用了250mm，地下二层顶板采用150mm厚（人防区域顶板为250mm），配筋为双面双向通长，每层每向配筋率达到0.25%，地下室侧向刚度大于底层的2倍，使得地下室顶板可以作为上部结构的嵌固点。
4.1抗震措施
1）计算分析方面的要求
由于平面规则性超限对于楼板的整体性有较大的影响，楼板在自身平面内的刚度无限大的假定不再适用。因此，在计算模型中考虑了楼板的弹性变形（采用了弹性膜单元）；并且在大开洞周围的楼板加厚为150mm，屋顶的楼板加厚到150mm，转换层上下楼板为200mm厚。在小震作用下控制楼板的的主拉应力小于混凝土的抗拉强度标准值，中震作用下控制楼板的钢筋不屈服。
对于结构竖向不规则，存在转换构件：控制转换层上下的刚度比，转换层下部加强部位主要竖向构件抗震等级提高一级。大悬 挑，大跨转换构件考虑竖向地震作用，控制挠度在规范范围内，控制转换层上部与下部结构侧向刚度接近。
4.2上部结构主要计算
1）计算软件及计算模型
本工程在进行结构整体计算时采用了中国建筑科学研究院（2012年6月）编制的pmsap程序。该程序采用空间杆单元模拟梁、柱及支撑梁构件，用在壳元基础上凝聚而成的墙元模拟剪力墙。墙元模型对剪力墙洞口无限制。对楼板该程序可以考虑刚性楼板及弹性楼板的不同假定情况。
计算结构位移比、周期比时采用刚性楼板假定；计算内力和位移时采用符合结构实际模型的楼板假定。计算采用振型分解反应谱法，同时考虑扭转藕连（CQC法）。
为了能够更好的了解和验证该不规则结构的受力性能，本单体另外还采用了最新版的MIDAS进行了复核验算，以求能够与pmsap计算结果能够对比分析。按照规范要求，当框架梁、柱中心线不能重合时，在计算中应考虑偏心对梁柱节点核心区受力和构造的不利影响，以及梁荷载对柱子的偏心影响。本工程在计算中已按实际梁柱的偏心位置输入，保证计算模型与实际情况相符合。
2）结构层间刚度比
刚度大，柔度就差，框架结构增加结构边梁与边柱的截面尺寸，以50为单位依次实验增大，如300*600改为300*650，结构的刚度会明显下降，结构位移比也可以满足规范要求。
由上表可知第5标准层X刚度比1，y刚度比1都小于1，本层刚度小于上层刚度的70%和上三层刚度平均值的80%。本层刚度大于上层刚度的60%和上三层刚度平均值的70%。属于软弱层。
高位转换时转换层下部与上部结构的等效侧向刚度比[剪弯刚度]
转换层所在层号= 6
转换层下部结构起止层号及高度= 3 6 18.40
转换层上部结构起止层号及高度= 7 11 17.50
X方向下部刚度= 0.3701E+08 X方向上部刚度= 0.1661E+08 X方向刚度比= 2.3426
Y方向下部刚度= 0.3324E+08 Y方向上部刚度= 0.1560E+08 Y方向刚度比= 2.2406
3）框架在规定水平力作用下的地震倾覆力矩百分比
4）整体稳定性验算
从midas、PMSAP反应谱计算结果来看，其计算结果相差不大，结构动力特性基本吻合，说明计算程序选择合适，结果可靠。分别计算的周期、层间位移角及位移比数值接近，各类指标均在合理范围内，满足现行规范的要求。经选用合适的地震波进行弹性动力时程分析，结构的位移反应符合现行规范的要求。CQC法的计算结果包络时程计算结果，可按CQC法结果进行设计。地震作用下的楼层剪力没有明显突变，均可满足规范要求，没有显示明显的结构薄弱层.综上所述，可以判断本结构体系可行。
4.3力弹塑性补充分析
结构的动力弹塑性分析方法是一项非常复杂的工作，从计算模型的简化、恢复力模型的确定、地震波的选用，直至计算结果的分析和后处理都需要进行大量的工作，而且数据量庞大，计算周期较长。但是它是目前进行结构抗震分析最为理想的方法，具有其它方法无可比拟的优势。 当前，建筑结构的形式日益丰富，高度和跨度不断增长，对于结构的计算分析手段也提出了越来越高的要求。随着计算机软硬件水平的不断提高，将动力弹塑性时程分析方法应用于在工程实践中的应用愈加广泛。
1）X向分析结果：
上述分析结果显示，在罕遇地震作用下，结构具有足够塑性变形能力和内力重分布能力而不至于被破坏到临界倒塌极限状态。因此，结构整体抗震性能满足大震不倒塌的抗震设防目标。
4）X方向pushover分析结构塑性铰状态
从图中可以看出，至罕遇地震性能点时，结构几个楼层个别梁端出现塑性铰，墙体出现高斯点，局部出现剪切破坏，主要的柱及桁架没有出现破坏，因此能形成很好的耗能体系，满足规范大震不倒的要求。在罕遇地震作用下，结构具有足够塑性变形能力和内力重分布能力而不至于被破坏到临界倒塌极限状态。因此，结构整体抗震性能满足大震不倒塌的抗震设防目标
4.4单品桁架局部计算分析
4.5主要结构柱的轴压比
在设计中我们还应该加大对轴压比率的关注度，在合理的范围内尽量的控制轴压比。因为由于受到水平荷载和垂直荷载的双重影响，柱子的横截面、柱体的减力及柱子的弯矩就会大大的减小，在此时轴压力的承载力受框支柱所支撑，转换层以上的墙体垂直荷载和水平荷载差不多都能借助转换层平面的内在刚度传递到落地的减力墙上，因此我们在设计转换层时要严格的控制框支柱的轴压比率。转换区域转换柱、框支柱采用型钢混凝土构件，严格控制轴压比（剪压比），增强转换柱延性，按中震弹性进行复核设计[3]。
5结束语
综上，本工程采用框架剪力墙结构，属于超限高层建筑。针对超限内容，对关键构件及转换层楼板进行了分析并采取加强措施。并采用多种计算软件进行弹性、弹塑性分析。
参考文献
[1]胡贤忠.中旅城二期南楼超限高层结构设计[J].福建建设科技，2013（1）：22-29.
[2]茹国和.桁架式结构转换层在超限高层建筑中的抗震性能研究[J].建筑施工，2016，38（2）：237-239.
[3]吴高平.高层建筑转换层结构设计[J].华东科技：学术版，2014（9）：78-78.
论文作者:张凌
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第20期
论文发表时间:2018/11/2
标签：结构论文; 刚度论文; 楼板论文; 荷载论文; 塑性论文; 工程论文; 层高论文; 《建筑学研究前沿》2018年第20期论文;