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广东省建筑设计研究院 广东 广州 510010
【摘 要】带转换层高层结构可以满足功能多样、上下部分平面布置相差较大高层建筑的要求，在高层建筑中广泛应用。本文结构实例对带转换层的梁式结构设计进行分析探讨
【关键词】高层建筑；结构；转换层
1.工程概况
本项目位于广州市某住宅小区，是集商业、住宅于一体的高层住宅小区。该建筑高23层，地下有一层车库，结构在2层楼面转换，首层为商铺和社区服务用房（图1），二层以上为住宅（图2），结构类型为部分框支剪力墙结构，高度71.85m。该项目首层和二层以上住宅平面图如下：
图1 首层建筑平面图
图2 上部住宅建筑平面图
2 结构分析
图3 转换层的结构布置
⑴首先根据上部建筑图和首层及地下室建筑确定整体的结构形式。
因为上部为住宅，根据建筑需要---使用功能和美观要求，二层以上采用剪力墙结构形式。由于地下室车位和首层商业的已经业主要求，上部建筑的剪力墙除了核心筒落地外，其余基本都不能连续通向地下，故整体结构形式定义为带转换层的高层转换结构，即部分框支剪力墙结构。（图3）
⑵上部结构及下部转换柱及墙的布置。
首先在上部住宅平面图上布置竖向构件。由于结构的底部为框支结构，下部结构的刚度相对比较弱，所以在布置上部剪力墙时尽量减小上部的刚度，既容易满足上下部刚度比的要求，又便于下部大开间框支柱、转换梁的布置。上部剪力墙布置完后，应先对上部结构建模进行计算，控制上部结构的周期、层间位移比等参数满足规范的要求，尽量使上部结构的布置比较合理。然后根据上部剪力墙的位置并结合首层商铺和地下室的车道和车位综合考虑下部的框支柱的布置。这个过程需要跟建筑专业共同协商，反复提议修改，以期达到建筑结构均较理想的布置。图2的首层建筑图也是经过协商后的建筑布置图。所以不管是上部结构还是下部转换柱的布置都不是唯一的布置，只是相对于该工程上是否合理与不合理的布置方式。
⑶转换层的布置。
转换层包括转换梁、转换层楼板。转换梁的布置与框支柱的布置是息息相关的。转换梁应尽可能形成框架，剪力墙应尽量由主梁来转换，宜避免形成二次转换，当实际情况确有困难时，可少量布置，但宜对支撑转换次梁的主梁进行有限元分析其内力分布，根据其内力分布来配置钢筋，并加强配筋构造。转换梁截面宽度不小于400mm，且转换梁每边比其支撑的剪力墙每边宽出50mm 为宜。转换梁两侧的楼板由于也是重要的传力构件，按照高规10.2.23，本工程转换层的板厚取180mm。
⑷整体计算分析。
地上部分结构嵌固在地下室顶板，由于首层建筑要求为商铺，加之转换梁的截面度按照1800mm设计，所以转换层的层高较大，由此加剧了首层的薄弱性，所以在布置首层的竖向构件时，落地的剪力墙如可能，加厚到400mm（上部为200mm），转换柱的截面宽度不小于转换梁的宽度，最小的转换柱截面为800×800，最大的1000×1300，目的是在经济条件允许的情况下加大首层的结构刚度。
本工程场地类别为I0 类，特征周期0.2s，基本风压0.44kN/m2，地面粗超度C类，该地区抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第1 组，结构阻尼比为0.05，多遇地震作用下水平地震影响系数最大值为0.04，其余各项计算参数按照规范取值计算结果。
对于该高层建筑，严格控制剪力墙的轴压比和剪重比，同时控制结构在风荷载和地震作用下的各设计指标（如位移角、位移比、抗侧刚度比等）满足规范设计的要求，对中间核心筒开洞较大的部位及其连接板，加大板厚，采用双层双向配筋。
针对二层竖向抗侧力构件不连续，根据相关规范要求，对其地震力放大1.25 进行计算，同时按其结果进行设计。除按规范严格控制各项设计指标外，对薄弱部位加强相应的构造处理。
通过合理的设计，该建筑结构均具有较好的抗震性能，能够满足“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三水准抗震设防目标。
⑸弹性时程分析。
依据中国《高层建筑混凝土技术规程》JGJ3-2010，复杂高层小震设计应做弹性时程分析，所采用的场地时程波应满足以下条件：
采用时程分析法时，应按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于二组的实际强震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线。
弹性时称分析时，每条时程曲线计算所得的结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的65%，多条时程曲线计算所得的结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的80%。
通过时程分析单条时程曲线所得结构底部剪力大于振型分解反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值大于振型分解反应谱法计算结果的80%，满足《建筑抗震设计规范》5.1.2 条规定。时程分析法显示结构的反应特征、变化规律与前述振型分解反应谱法分析基本一致。
3 梁式转换结构设计受力的分析
尽管高层结构本身有一些抗震不利的因素，但是只要合理设计，把握好几个重点，仍然能达到比较理想的抗震效果，下面对转换结构设计时应注意的重点做如下总结。
⑴转换层设置高度不宜过高。转换层位置越高，转换层上下层间位移角包络及剪力分配和传力途径突变越明显，转换层下部的框支框架越易开裂和屈服；转换位置较低的结构，控制侧向刚度比就可以控制转换层附近的层间位移角及内力突变；但对转换位置较高的结构，还应控制转换层上下部结构的等效刚度比。
⑵转换构件除满足刚度、强度、延性的要求外，还要注意保证转换层楼盖的整体刚度。震害表明，转换构件的刚度较弱，楼盖的刚度和抗剪承载力较弱，使楼盖破坏严重、转换构件上部的剪力墙、柱破坏严重。
⑶落地剪力墙与框支柱的布置宜均匀、对称，结构刚度偏心不宜过大，以免地震中由于扭转效应使框支柱破坏严重。尤其是单跨框支框架，轴向拉、压力往往会成为框支柱破坏的主要原因，抗震设计一般不宜采用单跨框支框架。
⑷抗震设计中需要加强的部位应包括底部及转换层以上1～2 层的楼板、剪力墙和柱。结构的延性耗能机制宜呈现在加强部位以上的结构中。
⑸减少转换。在可能的情况下尽量减少主体结构的转换，核心筒、剪力墙、框架柱等竖向主体构件应尽量落地，以满足受力直接，刚度连续，既经济又合理。
⑹使传力最直接。注意主体结构上部和下部竖向构件的协调对应关系，使转换结构尽可能处于传力比较直接。上部剪力墙采用大开间剪力墙结构，既容易满足上下部刚度比的要求，又便于下部大开间框支柱、转换梁的布置；上部小柱网的结构，宜尽量使其柱网与下部大柱网的轴线有较好的对应插入关系，以使转换梁的布置比较合理明确。总之，应尽量避免多级转换梁转换，慎重采用传力复杂、抗震不利的板式转换。
⑺加强下部、弱化上部。对于上部剪力墙下部筒体框架、剪力墙框架的结构，要注意适当增强下部筒体、剪力墙，适当减弱上部剪力墙，以使转换层上下部分主体结构层间剪切刚度比尽量接近，且不大于2。当框架结构上部小柱网、下部大柱网时，要注意上部框架梁截面适当减弱，下部框架梁截面适当加强，从而可以做到上下部的层间刚度比接近。
加强下部结构的措施：加大筒体及落地墙厚度、提高混凝土强度等级、必要时可在房屋周边增加部分剪力墙、壁式框架或楼梯间筒体，提高抗震能力。弱化上部结构的措施：不落地剪力墙开洞、开口、减小墙体厚度
【摘 要】带转换层高层结构可以满足功能多样、上下部分平面布置相差较大高层建筑的要求，在高层建筑中广泛应用。本文结构实例对带转换层的梁式结构设计进行分析探讨
【关键词】高层建筑；结构；转换层
1.工程概况
本项目位于广州市某住宅小区，是集商业、住宅于一体的高层住宅小区。该建筑高23层，地下有一层车库，结构在2层楼面转换，首层为商铺和社区服务用房（图1），二层以上为住宅（图2），结构类型为部分框支剪力墙结构，高度71.85m。该项目首层和二层以上住宅平面图如下：
图1 首层建筑平面图
图2 上部住宅建筑平面图
2 结构分析
图3 转换层的结构布置
⑴首先根据上部建筑图和首层及地下室建筑确定整体的结构形式。
因为上部为住宅，根据建筑需要---使用功能和美观要求，二层以上采用剪力墙结构形式。由于地下室车位和首层商业的已经业主要求，上部建筑的剪力墙除了核心筒落地外，其余基本都不能连续通向地下，故整体结构形式定义为带转换层的高层转换结构，即部分框支剪力墙结构。（图3）
⑵上部结构及下部转换柱及墙的布置。
首先在上部住宅平面图上布置竖向构件。由于结构的底部为框支结构，下部结构的刚度相对比较弱，所以在布置上部剪力墙时尽量减小上部的刚度，既容易满足上下部刚度比的要求，又便于下部大开间框支柱、转换梁的布置。上部剪力墙布置完后，应先对上部结构建模进行计算，控制上部结构的周期、层间位移比等参数满足规范的要求，尽量使上部结构的布置比较合理。然后根据上部剪力墙的位置并结合首层商铺和地下室的车道和车位综合考虑下部的框支柱的布置。这个过程需要跟建筑专业共同协商，反复提议修改，以期达到建筑结构均较理想的布置。图2的首层建筑图也是经过协商后的建筑布置图。所以不管是上部结构还是下部转换柱的布置都不是唯一的布置，只是相对于该工程上是否合理与不合理的布置方式。
⑶转换层的布置。
转换层包括转换梁、转换层楼板。转换梁的布置与框支柱的布置是息息相关的。转换梁应尽可能形成框架，剪力墙应尽量由主梁来转换，宜避免形成二次转换，当实际情况确有困难时，可少量布置，但宜对支撑转换次梁的主梁进行有限元分析其内力分布，根据其内力分布来配置钢筋，并加强配筋构造。转换梁截面宽度不小于400mm，且转换梁每边比其支撑的剪力墙每边宽出50mm 为宜。转换梁两侧的楼板由于也是重要的传力构件，按照高规10.2.23，本工程转换层的板厚取180mm。
⑷整体计算分析。
地上部分结构嵌固在地下室顶板，由于首层建筑要求为商铺，加之转换梁的截面度按照1800mm设计，所以转换层的层高较大，由此加剧了首层的薄弱性，所以在布置首层的竖向构件时，落地的剪力墙如可能，加厚到400mm（上部为200mm），转换柱的截面宽度不小于转换梁的宽度，最小的转换柱截面为800×800，最大的1000×1300，目的是在经济条件允许的情况下加大首层的结构刚度。
本工程场地类别为I0 类，特征周期0.2s，基本风压0.44kN/m2，地面粗超度C类，该地区抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第1 组，结构阻尼比为0.05，多遇地震作用下水平地震影响系数最大值为0.04，其余各项计算参数按照规范取值计算结果。
对于该高层建筑，严格控制剪力墙的轴压比和剪重比，同时控制结构在风荷载和地震作用下的各设计指标（如位移角、位移比、抗侧刚度比等）满足规范设计的要求，对中间核心筒开洞较大的部位及其连接板，加大板厚，采用双层双向配筋。
针对二层竖向抗侧力构件不连续，根据相关规范要求，对其地震力放大1.25 进行计算，同时按其结果进行设计。除按规范严格控制各项设计指标外，对薄弱部位加强相应的构造处理。
通过合理的设计，该建筑结构均具有较好的抗震性能，能够满足“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三水准抗震设防目标。
⑸弹性时程分析。
依据中国《高层建筑混凝土技术规程》JGJ3-2010，复杂高层小震设计应做弹性时程分析，所采用的场地时程波应满足以下条件：
采用时程分析法时，应按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于二组的实际强震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线。
弹性时称分析时，每条时程曲线计算所得的结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的65%，多条时程曲线计算所得的结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的80%。
通过时程分析单条时程曲线所得结构底部剪力大于振型分解反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值大于振型分解反应谱法计算结果的80%，满足《建筑抗震设计规范》5.1.2 条规定。时程分析法显示结构的反应特征、变化规律与前述振型分解反应谱法分析基本一致。
3 梁式转换结构设计受力的分析
尽管高层结构本身有一些抗震不利的因素，但是只要合理设计，把握好几个重点，仍然能达到比较理想的抗震效果，下面对转换结构设计时应注意的重点做如下总结。
⑴转换层设置高度不宜过高。转换层位置越高，转换层上下层间位移角包络及剪力分配和传力途径突变越明显，转换层下部的框支框架越易开裂和屈服；转换位置较低的结构，控制侧向刚度比就可以控制转换层附近的层间位移角及内力突变；但对转换位置较高的结构，还应控制转换层上下部结构的等效刚度比。
⑵转换构件除满足刚度、强度、延性的要求外，还要注意保证转换层楼盖的整体刚度。震害表明，转换构件的刚度较弱，楼盖的刚度和抗剪承载力较弱，使楼盖破坏严重、转换构件上部的剪力墙、柱破坏严重。
⑶落地剪力墙与框支柱的布置宜均匀、对称，结构刚度偏心不宜过大，以免地震中由于扭转效应使框支柱破坏严重。尤其是单跨框支框架，轴向拉、压力往往会成为框支柱破坏的主要原因，抗震设计一般不宜采用单跨框支框架。
⑷抗震设计中需要加强的部位应包括底部及转换层以上1～2 层的楼板、剪力墙和柱。结构的延性耗能机制宜呈现在加强部位以上的结构中。
⑸减少转换。在可能的情况下尽量减少主体结构的转换，核心筒、剪力墙、框架柱等竖向主体构件应尽量落地，以满足受力直接，刚度连续，既经济又合理。
⑹使传力最直接。注意主体结构上部和下部竖向构件的协调对应关系，使转换结构尽可能处于传力比较直接。上部剪力墙采用大开间剪力墙结构，既容易满足上下部刚度比的要求，又便于下部大开间框支柱、转换梁的布置；上部小柱网的结构，宜尽量使其柱网与下部大柱网的轴线有较好的对应插入关系，以使转换梁的布置比较合理明确。总之，应尽量避免多级转换梁转换，慎重采用传力复杂、抗震不利的板式转换。
⑺加强下部、弱化上部。对于上部剪力墙下部筒体框架、剪力墙框架的结构，要注意适当增强下部筒体、剪力墙，适当减弱上部剪力墙，以使转换层上下部分主体结构层间剪切刚度比尽量接近，且不大于2。当框架结构上部小柱网、下部大柱网时，要注意上部框架梁截面适当减弱，下部框架梁截面适当加强，从而可以做到上下部的层间刚度比接近。
加强下部结构的措施：加大筒体及落地墙厚度、提高混凝土强度等级、必要时可在房屋周边增加部分剪力墙、壁式框架或楼梯间筒体，提高抗震能力。弱化上部结构的措施：不落地剪力墙开洞、开口、减小墙体厚度