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摘要: 带转换层型钢混凝土框架-核心筒结构是我国高层建筑中常用的混合结构体系。本文在6个三维有限元模型基础上，对影响带转换层型钢混凝土框架-核心筒结构的几个因素进行了分析，并探讨了设计要点。
关键字: 转换层、型钢混凝土框架、核心筒、有限元模型
中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：
随着我国社会经济的快速发展，高层建筑不断拔地而起。目前常用型钢混凝土框架-核心筒结构在遭遇地震时，不能合理地分担地震力，从而缺乏协调的抗震性能，致使高层建筑在强地震中会处于缺乏二道防护的功能。为更好保证常用型钢混凝土框架-核心筒结构能够在强地震区得到更广泛的认可与应用，针对常用型钢混凝土框架-核心筒结构的特点，通过加强型钢混凝土柱外框架的抗弯、抗拉、抗剪性能对型钢混凝土框架-核心筒结构进行设计，从而增强该结构的二道防护功能。
1. 型钢混凝土框架-核心筒結构的特点
型钢混凝土框架-核心筒结构是符合我国目前国情的，是目前我国高层建筑中应用广泛的混合结构体系之一。该混合结构体系具有以下优点：（1）该结构自重轻、造价低廉，且具有良好的耐火性和耐久性；（2）该结构具有的抗侧移刚度和结构的延性。在水平荷载作用下，结构的侧向变形可以得到较好地控制，尤其是在风载作用下的水平位移较小，使得人们居住的舒适度大大提高，且有利于抗震的需求。但是在混合结构中，型钢混凝土框架-核心筒结构承担了水平地震作用和风荷载作用下大部分楼层的剪力，框架除承担建筑物的竖向荷载外，承担部分水平荷载作用下产生的倾覆力矩；在强烈地震作用下，核心筒剪力墙刚度出现退化，框架不能合理地分担地震力，从而缺乏协调的抗震性能，致使高层建筑框架在强地震中会处于缺乏二道防护的功能。通常在高层建筑的上部楼层与下部楼层轴线错位处或者竖向结构形式差异明显处会设置转换层，因此，对带转换层型钢混凝土框架－核心筒混合结构进行设计及优化是非常重要的。
2. 带转换层型钢混凝土框架－核心筒混合结构设计
2.1 工程概况
某项高层建筑工程实际结构为35层型钢混凝土框架-核心筒混合结构，结构总高109.5米，第三层为转换层，1、2层层高均为4.5米、3～35层为3米，内部混凝土核心筒至上而下贯通整个结构，外围型钢混凝土框架由底部稀柱通过SRC大梁转换为上部密柱。构件的截面尺寸：柱（转换层以上米2，转换层及以下米2），梁（框架梁，楼面梁，转换梁），核心筒墙肢（转换层以上0.4米，转换层及以下0.5米），组合楼板（转换层0.2米，转换层以外0.15米）。工程实际结构如图1所示。
（a）（b）
图1 工程实际结构图（a为转换层上部；b转换层及下部）
本工程地面粗糙度为 B 类，抗震设防烈度为 8 度，场地土类别为Ⅱ类，设计地震分组为第一组。根据模型平面布置规则，X 方向尺度等于 Y 方向，本文仅考虑 X 方向地震力作用。
2.2设计要点
本文对带转换层型钢混凝土框架－核心筒混合结构的地震反应进行计算分析以获得以下相应的数据：在转换层设置高度及转换层上、下等效侧向刚度比改变时，该结构地震反应情况的参数，如结构自振周期、顶点位移、层间位移角、各层总剪力(弯矩)分布、转换层附近内力分布及框支柱内力分布等。然后，根据相应的分析结构，本文对带转换层型钢混凝土框架－核心筒混合结构的设计要点进行提炼分析，以求提高带转换层型钢混凝土框架－核心筒混合结构在地震作用具有较强的防护能力。
根据高层建筑结构的复杂性，设计合理复杂性的有限元建模，以实现高精度的结构计算。通过增加(或减少)转换层下部“框支”结构层数，相应减少(或增加)转换层上部结构层，使结构的总高度基本保持不变，结构层数分别为31~35层，建立了6个三维有限元计算结构模型（模型A、B、C、D、E、F的转换层位置层1、3、5、7、9），如图2所示。根据三维有限元计算结构模型对抗震性能进行分析。
图2三维有限元计算结构模型示意图
（1）对结构自振周期的影响。根据相应的试验结果可知，随着转换层设置高度的增加，结构前两阶振型自振周期呈现出由大变小再逐渐增大的趋势，而当转换层设置不断增加，由于下部结构在整个结构中所占的比重越来越大。随着转换层设置高度的增大则结构的整体刚度增强，当转换层位于七层以上时，随着转换层设置高度的增大则结构的整体刚度削弱。
（2）对结构侧移的影响。根据振型分解反应谱法计算模型A、B、C、D、E及F的顶点位移、最大层间位移角及所在的位置计算结果可知：随着转换层设置高度的增加，转换层附近出现刚度突变且程度逐渐加剧；转换层设置高度的变化并没有对结构整体侧向刚度产生很大的影响；随着转换层设置高度的增加，在大震作用下，转换层上相邻楼层（1～3）层有可能吸收过多的能量而破坏，在设计中对转换层上部结构底部配筋应予以加强；当转换层设置位置较高时（9 层以上），转换层对上部结构变形将产生较大的影响。
（3）对层地震剪力分配的影响。根据相应的试验数据分析，可知：随着转换层设置高度的增加，转换层楼层地震作用逐渐减小，因此，高位转换可增加对转换层抗震设计有利性；转换层的设置对外围型钢混凝土框支框架承担的地震剪力有显著的影响；对于高位转换型钢混凝土框支框架-混凝土核心筒结构，在外围框架设计时，应加强转换层上部结构底部框架配筋；在模型顶部几层，核心筒出现负剪力，且顶层核心筒地震剪力差别不大。
（4）对地震倾覆力矩分配的影响。根据相应的试验情况，可知：转换层的设置及高度的变化对楼层总倾覆力矩并没有产生太大的影响；转换层的设置对转换层下部框架（核心筒）承担的倾覆力矩产生了明显的影响；由于转换层的设置增大了转换层下部楼层核心筒承担的倾覆力矩，对核心筒有不利影响，因此，需要通过加强转换层下部核心筒的配筋来提高抗震能力。
（5）对框支柱内力的影响。根据相应的试验情况，可知：随着转换层高度的增加，突变的程度越来越大，因此，在框支柱的抗震设计中，应加强转换层下一层至转换层上第二层框支柱的配筋。
（6）转换层上、下结构等效侧向刚度比对结构抗震性能的影响。型钢混凝土框支框架-混凝土核心筒结构在转换层存在竖向刚度的突变，对结构产生了不利的影响。根据相应的试验情况，可知：型钢混凝土框支框架-混凝土核心筒结构在满足转换层上、下结构等效侧向刚度比的条件下，其转换层与转换层上一层楼层侧向刚度比一般也是满足规范条件的。
3. 结语
高层建筑中，为适应建筑使用功能的要求，在结构中往往要设置转换层。本文主要针对6个三维有限元模型分析，对带转换层型钢混凝土框架-核心筒结构的设计要点进行分析探讨，以期待有利于同行一同思量优化该结构设计要点的必要性。
参考文献
[1] 舒兴平, 毛健宇, 黄 伟, 卢倍嵘. 型钢混凝土框支框架-混凝土核心筒结构抗震性能分析[J]. 湖南大学学报, 2010, 37(12): 7-12.
[2] 毛健宇. 型钢混凝土框支框架-混凝土核心筒结构抗震性能分析[D]. 湖南大学, 2009.
[3] 李君宏.试论带转换层型钢混凝土框架－核心筒混合结构关键设计[J]. 甘肃联合大学学报, 2011, 25(6): 51-53.
关键字: 转换层、型钢混凝土框架、核心筒、有限元模型
中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：
随着我国社会经济的快速发展，高层建筑不断拔地而起。目前常用型钢混凝土框架-核心筒结构在遭遇地震时，不能合理地分担地震力，从而缺乏协调的抗震性能，致使高层建筑在强地震中会处于缺乏二道防护的功能。为更好保证常用型钢混凝土框架-核心筒结构能够在强地震区得到更广泛的认可与应用，针对常用型钢混凝土框架-核心筒结构的特点，通过加强型钢混凝土柱外框架的抗弯、抗拉、抗剪性能对型钢混凝土框架-核心筒结构进行设计，从而增强该结构的二道防护功能。
1. 型钢混凝土框架-核心筒結构的特点
型钢混凝土框架-核心筒结构是符合我国目前国情的，是目前我国高层建筑中应用广泛的混合结构体系之一。该混合结构体系具有以下优点：（1）该结构自重轻、造价低廉，且具有良好的耐火性和耐久性；（2）该结构具有的抗侧移刚度和结构的延性。在水平荷载作用下，结构的侧向变形可以得到较好地控制，尤其是在风载作用下的水平位移较小，使得人们居住的舒适度大大提高，且有利于抗震的需求。但是在混合结构中，型钢混凝土框架-核心筒结构承担了水平地震作用和风荷载作用下大部分楼层的剪力，框架除承担建筑物的竖向荷载外，承担部分水平荷载作用下产生的倾覆力矩；在强烈地震作用下，核心筒剪力墙刚度出现退化，框架不能合理地分担地震力，从而缺乏协调的抗震性能，致使高层建筑框架在强地震中会处于缺乏二道防护的功能。通常在高层建筑的上部楼层与下部楼层轴线错位处或者竖向结构形式差异明显处会设置转换层，因此，对带转换层型钢混凝土框架－核心筒混合结构进行设计及优化是非常重要的。
2. 带转换层型钢混凝土框架－核心筒混合结构设计
2.1 工程概况
某项高层建筑工程实际结构为35层型钢混凝土框架-核心筒混合结构，结构总高109.5米，第三层为转换层，1、2层层高均为4.5米、3～35层为3米，内部混凝土核心筒至上而下贯通整个结构，外围型钢混凝土框架由底部稀柱通过SRC大梁转换为上部密柱。构件的截面尺寸：柱（转换层以上米2，转换层及以下米2），梁（框架梁，楼面梁，转换梁），核心筒墙肢（转换层以上0.4米，转换层及以下0.5米），组合楼板（转换层0.2米，转换层以外0.15米）。工程实际结构如图1所示。
（a）（b）
图1 工程实际结构图（a为转换层上部；b转换层及下部）
本工程地面粗糙度为 B 类，抗震设防烈度为 8 度，场地土类别为Ⅱ类，设计地震分组为第一组。根据模型平面布置规则，X 方向尺度等于 Y 方向，本文仅考虑 X 方向地震力作用。
2.2设计要点
本文对带转换层型钢混凝土框架－核心筒混合结构的地震反应进行计算分析以获得以下相应的数据：在转换层设置高度及转换层上、下等效侧向刚度比改变时，该结构地震反应情况的参数，如结构自振周期、顶点位移、层间位移角、各层总剪力(弯矩)分布、转换层附近内力分布及框支柱内力分布等。然后，根据相应的分析结构，本文对带转换层型钢混凝土框架－核心筒混合结构的设计要点进行提炼分析，以求提高带转换层型钢混凝土框架－核心筒混合结构在地震作用具有较强的防护能力。
根据高层建筑结构的复杂性，设计合理复杂性的有限元建模，以实现高精度的结构计算。通过增加(或减少)转换层下部“框支”结构层数，相应减少(或增加)转换层上部结构层，使结构的总高度基本保持不变，结构层数分别为31~35层，建立了6个三维有限元计算结构模型（模型A、B、C、D、E、F的转换层位置层1、3、5、7、9），如图2所示。根据三维有限元计算结构模型对抗震性能进行分析。
图2三维有限元计算结构模型示意图
（1）对结构自振周期的影响。根据相应的试验结果可知，随着转换层设置高度的增加，结构前两阶振型自振周期呈现出由大变小再逐渐增大的趋势，而当转换层设置不断增加，由于下部结构在整个结构中所占的比重越来越大。随着转换层设置高度的增大则结构的整体刚度增强，当转换层位于七层以上时，随着转换层设置高度的增大则结构的整体刚度削弱。
（2）对结构侧移的影响。根据振型分解反应谱法计算模型A、B、C、D、E及F的顶点位移、最大层间位移角及所在的位置计算结果可知：随着转换层设置高度的增加，转换层附近出现刚度突变且程度逐渐加剧；转换层设置高度的变化并没有对结构整体侧向刚度产生很大的影响；随着转换层设置高度的增加，在大震作用下，转换层上相邻楼层（1～3）层有可能吸收过多的能量而破坏，在设计中对转换层上部结构底部配筋应予以加强；当转换层设置位置较高时（9 层以上），转换层对上部结构变形将产生较大的影响。
（3）对层地震剪力分配的影响。根据相应的试验数据分析，可知：随着转换层设置高度的增加，转换层楼层地震作用逐渐减小，因此，高位转换可增加对转换层抗震设计有利性；转换层的设置对外围型钢混凝土框支框架承担的地震剪力有显著的影响；对于高位转换型钢混凝土框支框架-混凝土核心筒结构，在外围框架设计时，应加强转换层上部结构底部框架配筋；在模型顶部几层，核心筒出现负剪力，且顶层核心筒地震剪力差别不大。
（4）对地震倾覆力矩分配的影响。根据相应的试验情况，可知：转换层的设置及高度的变化对楼层总倾覆力矩并没有产生太大的影响；转换层的设置对转换层下部框架（核心筒）承担的倾覆力矩产生了明显的影响；由于转换层的设置增大了转换层下部楼层核心筒承担的倾覆力矩，对核心筒有不利影响，因此，需要通过加强转换层下部核心筒的配筋来提高抗震能力。
（5）对框支柱内力的影响。根据相应的试验情况，可知：随着转换层高度的增加，突变的程度越来越大，因此，在框支柱的抗震设计中，应加强转换层下一层至转换层上第二层框支柱的配筋。
（6）转换层上、下结构等效侧向刚度比对结构抗震性能的影响。型钢混凝土框支框架-混凝土核心筒结构在转换层存在竖向刚度的突变，对结构产生了不利的影响。根据相应的试验情况，可知：型钢混凝土框支框架-混凝土核心筒结构在满足转换层上、下结构等效侧向刚度比的条件下，其转换层与转换层上一层楼层侧向刚度比一般也是满足规范条件的。
3. 结语
高层建筑中，为适应建筑使用功能的要求，在结构中往往要设置转换层。本文主要针对6个三维有限元模型分析，对带转换层型钢混凝土框架-核心筒结构的设计要点进行分析探讨，以期待有利于同行一同思量优化该结构设计要点的必要性。
参考文献
[1] 舒兴平, 毛健宇, 黄 伟, 卢倍嵘. 型钢混凝土框支框架-混凝土核心筒结构抗震性能分析[J]. 湖南大学学报, 2010, 37(12): 7-12.
[2] 毛健宇. 型钢混凝土框支框架-混凝土核心筒结构抗震性能分析[D]. 湖南大学, 2009.
[3] 李君宏.试论带转换层型钢混凝土框架－核心筒混合结构关键设计[J]. 甘肃联合大学学报, 2011, 25(6): 51-53.