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摘要：箱形转换层构造的高层建筑较好地解决了高层建筑中上下部结构在竖向不连续的问题，在国内得到了较为广泛的应用。文章简要介绍了高层建筑中结构箱形转换层的结构方案的确定、整体计算分析，并结合工程实例对高层建筑箱形转换层设计进行了分析。
关键词：高层建筑；箱形转换层；结构方案；结构设计；构造措施
中图分类号：TU973.16文献标识码：A 文章编号：1000－8136（2011）24－0058－02
随着城市建设的发展，大部分高层建筑由于建筑使用要求，主体结构都必须设计转换层。转换层结构的出现带动了上下建筑空间和结构形式的多样性，同时也在现代建筑结构中有着重要的意义。它与工程中的箱形转换层的结构形式是不同的，接下来我们就结合工程实例，从以下几个方面进行较为系统的介绍：
1工程概况
某工程由两座19层高塔楼及地下1层、地上8层的裙楼组成。工程主体结构为大底盘双塔结构，塔楼采用框架－核心筒结构体系。地质资料表明该工程场地主要为砂岩和砂质泥岩，场地整体稳定，场地类别为Ⅰ类，设计基本地震加速度为0.05 g，抗震设防烈度为7 °，设计地震分组为第一组，基本风压为0.65 kN/m2，地面粗糙度为C类。
2结构方案的确定
人防通道斜向穿越整个建筑物，特别是塔楼B的大部分核心筒和部分框架柱及裙楼框架柱均位于人防通道之内。由于沿核心筒方向人防通道宽度达14.6 m，核心筒总重量480 000 kN，而人防部门要求改造后的人防通道净高不小于7 m，并控制人防通道内落柱的数量和位置，因此，需要采用转换层进行结构转换。如何在满足人防使用要求的情况下，解决结构受力的可靠性和安全性成为本工程的一大关键。
虽然转换层位于嵌固层以下，可以不考虑地震和风荷载作用，但转换构件高度一方面受人防通道净高限制，另一方面受上部建筑层高限制，主体结构水平转换构件通道中部高度不得超过4 300 mm，通道边不得超过5 300 mm，给转换构件的设计带来困难。根据结构方案试算结果，采用普通大梁抬柱跨越人防通道可解决轴力相对较小的框架柱转换，而核心筒部分荷载和跨度太大，采用普通的梁式转换无法满足结构的局部和整体受力性能要求。
3计算分析
3.1计算程序的选用
空间整体计算分析和截面设计采用中国建筑科学研究院的建筑结构分析设计程PKPM系列的SATWE程序，并用PKPM系列的PMSAP进行复核，同时将箱形转换层肋梁按墙板元离散为剪力墙验算肋梁的水平钢筋。对箱形转换层结构采用美国CSI公司开发的空间有限元分析程序SAP2000进行补充计算，并按《混凝土结构设计规范》（GB50010－2010）的深受弯构件抗剪计算公式验算肋梁的抗剪承载力。SATWE、PMSAP计算分析箱形转换层时将箱形梁按梁元模型离散的单肋梁后参与整体分析，箱形转换层作为一层考虑，未计入箱形转换层底板的作用。SAP2000分析时考虑箱形转换层顶板和底板面内变形和面外刚度的影响。为减少计算工作量，取箱形转换层周边一跨及上三层主体结构参与计算，并在相应柱、剪力墙上加载上部主体结构传来的轴力和轴力等效的线荷载。
3.2计算结果分析
在重力荷载作用下，SAP2000软件分析时，箱形转换层顶、底板基本表现为偏心受拉、偏心受压，与普通楼板受力有较大区别。
底板大部分区域为拉应力，在底板与落地柱、人行通道侧墙相交区域存在局部压应力区。X方向最大拉应力55.07 kPa，Y方向肋梁跨度大，底板内产生的最大拉应力144.9 kPa。
顶板在人行通道侧墙处、落地柱、与柱相连的肋梁部位出现局部压应力区，其余大部分区域为拉应力，X方向最大拉应力54 kPa，Y方向最大拉应力86 kPa。顶、底板拉应力均远小于C60混凝土抗拉强度，不会出现受力裂缝。
图1所示为箱形转换层底板X向应力分布图。图中深色区为受拉区；浅色区为受压区。考虑到转换构件的重要性，设计时顶板、底板配筋均参照转换层楼板双向通长配筋，加强为Φ14@100。
箱形转换层肋梁与普通转换梁受力形态有所区别。箱形转换层中KZL1～KZL4进行简要的内力对比分析，具体结果详表1。
图1箱形转换层底板X向应力分布图（kPa）
（1）箱形转换层考虑顶、底板参与整体受力，肋梁弯矩均明显减小，且中梁减小幅度比边梁KZL1大。这表明箱形转换梁的底板和顶板作为转换梁的翼缘参与整体受力作用明显，加上肋梁高度较大，顶板和底板就分担了相当部分弯矩。
（2）从KZL1～KZL4支座剪力对比来看，箱形转换层考虑顶、底板参与整体受力对肋梁剪力的影响不如弯矩大，转换层剪力的传递应该更多通过肋梁而不是楼板来实现。
表1箱形转换层肋梁弯矩（kN•m）和剪力（kN）对比
计算软件 KZL1 KZL2 KZL3 KZL4
跨中
弯矩 支座
剪力 跨中
弯矩 支座
剪力 跨中
弯矩 支座
剪力 跨中
弯矩 支座
剪力
SATWE 59 833 14 505 30 123 16 182 23 870 8 647 9 646 5 642
PMSAP 53 227 15 780 22 123 15 287 17 414 9 278 7 658 5 200
SAP2000 26 000 11 074 7 970 10 728 10 898 9 990 7 288 7 163
（3）箱形转换层考虑顶、底板参与整体受力，肋梁支座剪
力计算结果不一定比简化为梁元模型计算结果小，规律性相对较差。从SAP2000得到的梁应力图分析，应该和落地柱及人防通道侧墙部位应力集中造成的支座受力复杂有关。
4构造措施
虽然本工程箱形转换层可以不考虑地震作用影响，但考虑到其对结构安全的重要性和受力的复杂性，设计时箱形转换层按抗震等级二级框支梁进行构造，并参照深梁配筋。
为提高构件抗剪能力，箱形转换层与人防通道600 mm厚剪力墙相交处均加腋1 000 mm。SATWE计算肋梁腰筋均较小，箍筋用量较大，而箱形转换层肋梁10/h 较小，均属于深受弯构件，水平分布钢筋相比箍筋对肋梁抗剪承载力影响更大。肋梁配筋时参照箱形转换层离散为墙板元模型计算的肋梁水平钢筋，并按《混凝土结构设计规范》（GB50010－2010）的深受弯构件抗剪计算公式复核肋梁的水平钢筋和箍筋，实配肋梁水平钢筋为Φ22@150，沿肋梁宽度方向最多设置了8排。
鉴于箱形转换层截面大，混凝土等级达C60，且属于大体积混凝土，除采用多种手段计算分析和采取针对性构造措施外，如何保证施工的可行性及防止箱形转换层开裂也非常重要。
考虑到肋梁施工无法一次浇注混凝土，设计要求转换梁按一次性支撑、二次浇注的施工方法处理，支撑系统承担转换梁的整体重量，保证转换梁形成整体后方参与受力，并采取以下措施：①转换梁第一次浇注高度为2 500 mm，结合面设置短筋；②转换层混凝土内掺微膨胀剂；③转换层混凝土掺聚合物纤维，掺量为0.85 kg/m3，同时在梁侧面混凝土保护层内增加钢丝网一层；④为保证混凝土浇筑质量，肋梁上下部分纵筋采用双筋，以增大钢筋间距。
通过采取以上措施结合施工阶段切实可行的施工方案，箱形转换层混凝土浇注质量非常满意，并有效的控制了裂缝的产生。
5结束语
总而言之，为了实现和适应这种结构型式的变化过渡，高层建筑转换层结构设计应得到广泛的采用和认可，使其真正在房屋建筑行业发挥应有的优势地位和作用，更好地为改善人类居住环境做贡献。
参考文献
1 黄小坤、林祥、华山.高层建筑箱形转换层结构设计探讨［J］.工程抗震与加固改造，2004（10）
Box－shaped High－rise Building Structure Design of the Conversion Layer
Chen Wenfeng
Abstract: Box conversion layer structure of high－rise building has solved the structure of high－rise building in upper and lower vertical discontinuity in the country has been more widely used. This paper briefly describes the structure of box－shaped high－rise buildings in the conversion layer structure of the program to determine the overall calculation and analysis, and engineering examples of box－shaped transfer story high－rise building design were analyzed.
Key words: high－rise buildings; box conversion layer; structure of the program; structural design; construction measures
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关键词：高层建筑；箱形转换层；结构方案；结构设计；构造措施
中图分类号：TU973.16文献标识码：A 文章编号：1000－8136（2011）24－0058－02
随着城市建设的发展，大部分高层建筑由于建筑使用要求，主体结构都必须设计转换层。转换层结构的出现带动了上下建筑空间和结构形式的多样性，同时也在现代建筑结构中有着重要的意义。它与工程中的箱形转换层的结构形式是不同的，接下来我们就结合工程实例，从以下几个方面进行较为系统的介绍：
1工程概况
某工程由两座19层高塔楼及地下1层、地上8层的裙楼组成。工程主体结构为大底盘双塔结构，塔楼采用框架－核心筒结构体系。地质资料表明该工程场地主要为砂岩和砂质泥岩，场地整体稳定，场地类别为Ⅰ类，设计基本地震加速度为0.05 g，抗震设防烈度为7 °，设计地震分组为第一组，基本风压为0.65 kN/m2，地面粗糙度为C类。
2结构方案的确定
人防通道斜向穿越整个建筑物，特别是塔楼B的大部分核心筒和部分框架柱及裙楼框架柱均位于人防通道之内。由于沿核心筒方向人防通道宽度达14.6 m，核心筒总重量480 000 kN，而人防部门要求改造后的人防通道净高不小于7 m，并控制人防通道内落柱的数量和位置，因此，需要采用转换层进行结构转换。如何在满足人防使用要求的情况下，解决结构受力的可靠性和安全性成为本工程的一大关键。
虽然转换层位于嵌固层以下，可以不考虑地震和风荷载作用，但转换构件高度一方面受人防通道净高限制，另一方面受上部建筑层高限制，主体结构水平转换构件通道中部高度不得超过4 300 mm，通道边不得超过5 300 mm，给转换构件的设计带来困难。根据结构方案试算结果，采用普通大梁抬柱跨越人防通道可解决轴力相对较小的框架柱转换，而核心筒部分荷载和跨度太大，采用普通的梁式转换无法满足结构的局部和整体受力性能要求。
3计算分析
3.1计算程序的选用
空间整体计算分析和截面设计采用中国建筑科学研究院的建筑结构分析设计程PKPM系列的SATWE程序，并用PKPM系列的PMSAP进行复核，同时将箱形转换层肋梁按墙板元离散为剪力墙验算肋梁的水平钢筋。对箱形转换层结构采用美国CSI公司开发的空间有限元分析程序SAP2000进行补充计算，并按《混凝土结构设计规范》（GB50010－2010）的深受弯构件抗剪计算公式验算肋梁的抗剪承载力。SATWE、PMSAP计算分析箱形转换层时将箱形梁按梁元模型离散的单肋梁后参与整体分析，箱形转换层作为一层考虑，未计入箱形转换层底板的作用。SAP2000分析时考虑箱形转换层顶板和底板面内变形和面外刚度的影响。为减少计算工作量，取箱形转换层周边一跨及上三层主体结构参与计算，并在相应柱、剪力墙上加载上部主体结构传来的轴力和轴力等效的线荷载。
3.2计算结果分析
在重力荷载作用下，SAP2000软件分析时，箱形转换层顶、底板基本表现为偏心受拉、偏心受压，与普通楼板受力有较大区别。
底板大部分区域为拉应力，在底板与落地柱、人行通道侧墙相交区域存在局部压应力区。X方向最大拉应力55.07 kPa，Y方向肋梁跨度大，底板内产生的最大拉应力144.9 kPa。
顶板在人行通道侧墙处、落地柱、与柱相连的肋梁部位出现局部压应力区，其余大部分区域为拉应力，X方向最大拉应力54 kPa，Y方向最大拉应力86 kPa。顶、底板拉应力均远小于C60混凝土抗拉强度，不会出现受力裂缝。
图1所示为箱形转换层底板X向应力分布图。图中深色区为受拉区；浅色区为受压区。考虑到转换构件的重要性，设计时顶板、底板配筋均参照转换层楼板双向通长配筋，加强为Φ14@100。
箱形转换层肋梁与普通转换梁受力形态有所区别。箱形转换层中KZL1～KZL4进行简要的内力对比分析，具体结果详表1。
图1箱形转换层底板X向应力分布图（kPa）
（1）箱形转换层考虑顶、底板参与整体受力，肋梁弯矩均明显减小，且中梁减小幅度比边梁KZL1大。这表明箱形转换梁的底板和顶板作为转换梁的翼缘参与整体受力作用明显，加上肋梁高度较大，顶板和底板就分担了相当部分弯矩。
（2）从KZL1～KZL4支座剪力对比来看，箱形转换层考虑顶、底板参与整体受力对肋梁剪力的影响不如弯矩大，转换层剪力的传递应该更多通过肋梁而不是楼板来实现。
表1箱形转换层肋梁弯矩（kN•m）和剪力（kN）对比
计算软件 KZL1 KZL2 KZL3 KZL4
跨中
弯矩 支座
剪力 跨中
弯矩 支座
剪力 跨中
弯矩 支座
剪力 跨中
弯矩 支座
剪力
SATWE 59 833 14 505 30 123 16 182 23 870 8 647 9 646 5 642
PMSAP 53 227 15 780 22 123 15 287 17 414 9 278 7 658 5 200
SAP2000 26 000 11 074 7 970 10 728 10 898 9 990 7 288 7 163
（3）箱形转换层考虑顶、底板参与整体受力，肋梁支座剪
力计算结果不一定比简化为梁元模型计算结果小，规律性相对较差。从SAP2000得到的梁应力图分析，应该和落地柱及人防通道侧墙部位应力集中造成的支座受力复杂有关。
4构造措施
虽然本工程箱形转换层可以不考虑地震作用影响，但考虑到其对结构安全的重要性和受力的复杂性，设计时箱形转换层按抗震等级二级框支梁进行构造，并参照深梁配筋。
为提高构件抗剪能力，箱形转换层与人防通道600 mm厚剪力墙相交处均加腋1 000 mm。SATWE计算肋梁腰筋均较小，箍筋用量较大，而箱形转换层肋梁10/h 较小，均属于深受弯构件，水平分布钢筋相比箍筋对肋梁抗剪承载力影响更大。肋梁配筋时参照箱形转换层离散为墙板元模型计算的肋梁水平钢筋，并按《混凝土结构设计规范》（GB50010－2010）的深受弯构件抗剪计算公式复核肋梁的水平钢筋和箍筋，实配肋梁水平钢筋为Φ22@150，沿肋梁宽度方向最多设置了8排。
鉴于箱形转换层截面大，混凝土等级达C60，且属于大体积混凝土，除采用多种手段计算分析和采取针对性构造措施外，如何保证施工的可行性及防止箱形转换层开裂也非常重要。
考虑到肋梁施工无法一次浇注混凝土，设计要求转换梁按一次性支撑、二次浇注的施工方法处理，支撑系统承担转换梁的整体重量，保证转换梁形成整体后方参与受力，并采取以下措施：①转换梁第一次浇注高度为2 500 mm，结合面设置短筋；②转换层混凝土内掺微膨胀剂；③转换层混凝土掺聚合物纤维，掺量为0.85 kg/m3，同时在梁侧面混凝土保护层内增加钢丝网一层；④为保证混凝土浇筑质量，肋梁上下部分纵筋采用双筋，以增大钢筋间距。
通过采取以上措施结合施工阶段切实可行的施工方案，箱形转换层混凝土浇注质量非常满意，并有效的控制了裂缝的产生。
5结束语
总而言之，为了实现和适应这种结构型式的变化过渡，高层建筑转换层结构设计应得到广泛的采用和认可，使其真正在房屋建筑行业发挥应有的优势地位和作用，更好地为改善人类居住环境做贡献。
参考文献
1 黄小坤、林祥、华山.高层建筑箱形转换层结构设计探讨［J］.工程抗震与加固改造，2004（10）
Box－shaped High－rise Building Structure Design of the Conversion Layer
Chen Wenfeng
Abstract: Box conversion layer structure of high－rise building has solved the structure of high－rise building in upper and lower vertical discontinuity in the country has been more widely used. This paper briefly describes the structure of box－shaped high－rise buildings in the conversion layer structure of the program to determine the overall calculation and analysis, and engineering examples of box－shaped transfer story high－rise building design were analyzed.
Key words: high－rise buildings; box conversion layer; structure of the program; structural design; construction measures
“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”