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【摘要】近年来，随着经济的发展，特别是随着改革开放的不断深入，我国的经济建设取得了巨大的进步，同时建筑行业也在快速的发展着。在建筑中，带结构转换层的高层建筑设计日益变得很流行，同时在建筑中应用的比较多，但是如何进行带结构转换层的高层建筑的结构设计就是一个值得研究的问题。本文笔者就结合自己多年来的研究所得，就带结构转换层的高层建筑结构设计进行分析，希望对该领域具有一定的作用。
【关键字】带结构转换层，高层建筑，结构设计
中图分类号：TU97文献标识码： A 文章编号：
一．前言
随着经济改革的发展，现代高层建筑向多功能、综合用途发展，尤其是临街高层建筑，其功能布置一般为上部为住宅、旅馆，下部楼层作商店、餐厅等。不同的用途需要不同的空间组合形式，因此近几年来出现了上部楼层为小开间剪力墙，而下部楼层为大柱网框一剪结构形式，上述功能要求与结构的合理布置要求正好相反，出现了上部刚度大而下部刚度小的竖向结构体系。为了实现这种结构布置就必须在结构转换的楼层设置转换层以保证结构受力的正确传递。转换层的合理设计将直接影响结构的受力及构件尺寸确定。本文以广西北海某综合大厦的结构计算为实例，分析转换层对结构的受力影响，提出了高层结构设计中应注意的一些问题和一般规律，对合理调整构件尺寸，做到既经济又安全，具有一定的实际意义。
二．工程概况
本工程为一幢综合型高层建筑，总面积为25700m2，总层数为26层。1 到3层为商场(地下室由箱型基础组成,4到10层为办公楼，11 到25层为住宅，26层为机房等。1到2层层高为4. 2m，第3层为5. 6m，第4层为3m, 5到6层为2. 8m 。根据建筑设计要求，3层以下需较大空间，上部为分隔较多的小空间，因此结构方案采用上部为剪力墙，下部为框一剪结构，在第3层楼面设置结构转换层，板厚250mm。各主要层平面布置见图1。
图1
三．结构转换层类型的选择
转换层的结构形式一般可分为梁式、板式和箱形式三种基本类型。箱形和板式转换层受力较为复杂，利用三维空间计算程序作整体受力分析后还要用有限元法进行局部分析后才能用于设计，同时箱形和板式转换层混凝土耗用量较大，造价高，而梁式转换层(包括析架式、空腹析架式等杆系转换层)受力简单，三维空间计算程序结果可直接用于设计，同时施工方便，混凝土耗用量少，造价低，是一般高层建筑转换层广泛采用的一种结构形式，如北京南洋饭店、波特兰大厦、深圳四川大厦等均采用梁式结构转换层，因此本工程选用梁式结构转换层。
四．建筑结构设计
1．构件尺寸选择
在带结构转换层的高层建筑结构设计中主要考虑两个关键问题:
（一）保证大空间层有充分的刚度，防止沿竖向刚度变化过于悬空
（二）可靠地传递上部结构的水平剪力
为满足上述要求一般设计中主要考虑上下层刚度比的确定。
为满足上述要求一般设计中主要考虑上下层刚度比的确定，即
式中Gi、Gi+1——第i层,i+1层混凝土剪变模量(CU= 0. 425E);
Ai、Ai+1一一第i层、i +1层的折算抗剪截面面积，
A=AW+0.12AC
AW一一在所计算的方向上剪力墙的全部有效截面面积;
AC——全部柱的截面面积;
hi、hi+1——第i层、i+1层的层高。
在非抗震设计时，rr应尽量接近于1不应大于3;在抗震设计时，rr应尽量接近于1不应大于2。
根据以上要求及平面布置情况和构件截面估算，3层以下中柱断面为1. lm X 1. lm,边柱0.8m * 0. 8m .剪力墙厚0.4m , 4层以上剪力墙厚0. 2m。由于上部剪力墙较密，一般资料对转换层的设计没有提出较具体的尺寸要求。为提高转换层的刚度，一般转换梁断面都较大，如深圳、四川大厦为0. 7m*2. 85m，北京南洋饭店梁高4. 5m，广州金鹰大厦为1.4m*2.8 m。由此可见跨度为6到7m的转换梁、梁高度一般在2.5m以上。根据同类型结构选用转换梁截面为0..9m X*2. 5m至0. 7m *1. 5m进行上机计算并进行分析。
2.计算情况及结果
本工程设防烈度为6度，地基场地土类别为2类，基本风压值0.7kN/m2，振型组合选用6。采用中国建筑科学研究院开发的高层结构计算程序TBSA，这样计算出来的结果才更加的可靠。
五．转换梁刚度对剪力墙内力的影响
由于转换层附近结构内力分布非常复杂，一般在实际工程中首先根据建筑设计要求和估算确定剪力墙的布置，对转换梁构件尺寸进行试算、调整。对转换梁尺寸的选择带有一定的盲目性，根据本工程选择的16种不同转换梁尺寸的电算结果分析表明，结构转换层刚度对上部结构内力的影响存在一定的规律。
1．转换梁高度对剪力墙超限构件数量的影响
转换梁刚度D=EhI，当混凝土强度等级确定后，I是影响刚度的主要因素，根据材料力学公式I=bh3/12可知，刚度与梁的宽度成正比，与梁的高度的3次方成正比，故梁的高度变化明显影响梁的刚度变化，因此首先分析梁的高度变化与剪力墙内力变化的规律。以梁宽b=0.8m为例,分别绘出当h=1.0、1.5、2.0、2.5m时剪力墙的超限构件数量关系如图2。
图2
根据图2可知，梁的高度越大，构件的总超限数越少，各层的超限构件数目与总超限构件数目变化趋势一致。同时超限构件数目集中在转换层上(第4层)，占总超限构件数目约50%以上，且转换梁的高度越大，所占比例越大（h=2.5、2.0、1.5、1.0m时分别为70%、53%、50%、45%)，可见梁的高度越大，沿高度剪力墙内力变化越大，反之亦然.但总的影响高度基本不变(至第9层)。当梁的高度为lm时，超限构件数目明显增加(本例从1.5m—1.0m，超限构件数目增加1.5倍;2.5—1.5m之间每级增加约20%)，即当梁的高度太小时，结构的受力状态明显变差，设计时转换梁的高度不宜太小。
2.转换梁宽度对剪力墙超限构件数量的影响
以转换梁高度2.5m为例，宽度为0.6m、0.7m、0.8sm、0.9m时剪力墙的超限构件数目变化曲线见图3。结果表明当梁的高度一定时.梁的宽度变化对上部剪力墙内力变化有一定影响。梁的宽度越大，靠近转换层的楼层超限构件数越少，内力变化影响高度越大(b=0.9m时影响达到第9层);梁的宽度越小，靠近转换层的楼层超限构件数越多，内力变化影响高度越小(b=0.6m时影响达到第7层)，但超限构件总数基本不变。
图3
3．转换梁刚度对剪力墙超限构件数量的影响
以上分别讨论了转换梁高度和宽度对上部剪力墙内力的影响规律，为了综合上述转换梁尺寸变化对上部结构内力的影响，讨论转换梁的刚度变化对超限构件数目影响的变化规律具有一定意义。为了便于分析，以0.6m*1.0m的转换梁刚度为1.0，其余各梁的刚度取相对值，其变化规律如图4所示。梁的刚度和超限构件数量变化曲线为一抛物线，当梁的相对刚度小于1时，越限构件数量明显增加;梁的相对刚度大于1时，构件超限数量增加很少，因此在设计中应合理选用转换梁尺寸。
图4
4．带转换层结构上部剪力、内力与普通框支剪力墙内力的比较
根据对电算结果的分析及与普通框支剪力墙内力分析的比较，表明两者之间存在较明显的差别:
（一）转换梁的刚度对上部剪力墙内勺的影响范围有明显作用，而框支剪力墙上部内力的影响范围仅与框架的净跨L0有关;
（二）带转换层结构的上部剪力墙一般都开有洞口，且位置随建筑要求不同而不同，故上部结构内力变化较为复杂，有时局部出现异常(如本例第7层)，而一般框支剪力墙的内力变化符合弹性理论的分析结果。
（三）带转换层结构的上部剪力墙内力变化规律数据具有一定的离散性，而框支剪力墙的内力变化完全可按弹性理论的方法进行分析。
由以上几点可知，带转换层结构的内力分析不能完全按框支剪力墙内力分析规律对整体结构进行分析，其本身具有一定的特殊性和规律性。
六．结束语
带结构转换层的高层建筑的结构设计在现代建筑设计中应用的十分普遍，必须做好这方面的研究和实践，推动带结构转换层的高层建筑的结构设计的发展。
参考文献：
[1]熊进刚 李艳 带结构转换层的高层建筑结构设计 (被引用 7 次) [期刊论文] 《南昌大学学报(工科版)》 ISTIC -2002年4期
[2]季静 韩小雷 杨坤 郑宜 带主次梁转换层的超限高层建筑结构设计 (被引用 10 次) [期刊论文] 《结构工程师》 ISTIC -2005年2期
[3]韩小雷 杨坤 郑宜 季静 带梁式转换层的超限高层建筑结构设计 (被引用 4 次) [期刊论文] 《昆明理工大学学报（理工版）》 ISTIC PKU -2004年6期
[4]段晓飞 王海涛 高层建筑混凝土梁式转换层结构设计 [期刊论文] 《城市建设理论研究（电子版）》 -2012年21期
[5]张根俞 梁书亭 朱筱俊 某综合楼型钢混凝土梁式转换结构设计与分析 [期刊论文] 《建筑技術》 ISTIC PKU -2009年5期
[6]陶英容 带箱形转换建筑结构的试验研究与分析 [学位论文]， 2008 - 同济大学土木工程学院 同济大学：建筑与土木工程
[7]吴蓉蓉 大底盘多塔楼结构若干关键性设计技术问题研究 [学位论文]， 2008 - 同济大学土木工程学院 同济大学：建筑与土木工程
【关键字】带结构转换层，高层建筑，结构设计
中图分类号：TU97文献标识码： A 文章编号：
一．前言
随着经济改革的发展，现代高层建筑向多功能、综合用途发展，尤其是临街高层建筑，其功能布置一般为上部为住宅、旅馆，下部楼层作商店、餐厅等。不同的用途需要不同的空间组合形式，因此近几年来出现了上部楼层为小开间剪力墙，而下部楼层为大柱网框一剪结构形式，上述功能要求与结构的合理布置要求正好相反，出现了上部刚度大而下部刚度小的竖向结构体系。为了实现这种结构布置就必须在结构转换的楼层设置转换层以保证结构受力的正确传递。转换层的合理设计将直接影响结构的受力及构件尺寸确定。本文以广西北海某综合大厦的结构计算为实例，分析转换层对结构的受力影响，提出了高层结构设计中应注意的一些问题和一般规律，对合理调整构件尺寸，做到既经济又安全，具有一定的实际意义。
二．工程概况
本工程为一幢综合型高层建筑，总面积为25700m2，总层数为26层。1 到3层为商场(地下室由箱型基础组成,4到10层为办公楼，11 到25层为住宅，26层为机房等。1到2层层高为4. 2m，第3层为5. 6m，第4层为3m, 5到6层为2. 8m 。根据建筑设计要求，3层以下需较大空间，上部为分隔较多的小空间，因此结构方案采用上部为剪力墙，下部为框一剪结构，在第3层楼面设置结构转换层，板厚250mm。各主要层平面布置见图1。
图1
三．结构转换层类型的选择
转换层的结构形式一般可分为梁式、板式和箱形式三种基本类型。箱形和板式转换层受力较为复杂，利用三维空间计算程序作整体受力分析后还要用有限元法进行局部分析后才能用于设计，同时箱形和板式转换层混凝土耗用量较大，造价高，而梁式转换层(包括析架式、空腹析架式等杆系转换层)受力简单，三维空间计算程序结果可直接用于设计，同时施工方便，混凝土耗用量少，造价低，是一般高层建筑转换层广泛采用的一种结构形式，如北京南洋饭店、波特兰大厦、深圳四川大厦等均采用梁式结构转换层，因此本工程选用梁式结构转换层。
四．建筑结构设计
1．构件尺寸选择
在带结构转换层的高层建筑结构设计中主要考虑两个关键问题:
（一）保证大空间层有充分的刚度，防止沿竖向刚度变化过于悬空
（二）可靠地传递上部结构的水平剪力
为满足上述要求一般设计中主要考虑上下层刚度比的确定。
为满足上述要求一般设计中主要考虑上下层刚度比的确定，即
式中Gi、Gi+1——第i层,i+1层混凝土剪变模量(CU= 0. 425E);
Ai、Ai+1一一第i层、i +1层的折算抗剪截面面积，
A=AW+0.12AC
AW一一在所计算的方向上剪力墙的全部有效截面面积;
AC——全部柱的截面面积;
hi、hi+1——第i层、i+1层的层高。
在非抗震设计时，rr应尽量接近于1不应大于3;在抗震设计时，rr应尽量接近于1不应大于2。
根据以上要求及平面布置情况和构件截面估算，3层以下中柱断面为1. lm X 1. lm,边柱0.8m * 0. 8m .剪力墙厚0.4m , 4层以上剪力墙厚0. 2m。由于上部剪力墙较密，一般资料对转换层的设计没有提出较具体的尺寸要求。为提高转换层的刚度，一般转换梁断面都较大，如深圳、四川大厦为0. 7m*2. 85m，北京南洋饭店梁高4. 5m，广州金鹰大厦为1.4m*2.8 m。由此可见跨度为6到7m的转换梁、梁高度一般在2.5m以上。根据同类型结构选用转换梁截面为0..9m X*2. 5m至0. 7m *1. 5m进行上机计算并进行分析。
2.计算情况及结果
本工程设防烈度为6度，地基场地土类别为2类，基本风压值0.7kN/m2，振型组合选用6。采用中国建筑科学研究院开发的高层结构计算程序TBSA，这样计算出来的结果才更加的可靠。
五．转换梁刚度对剪力墙内力的影响
由于转换层附近结构内力分布非常复杂，一般在实际工程中首先根据建筑设计要求和估算确定剪力墙的布置，对转换梁构件尺寸进行试算、调整。对转换梁尺寸的选择带有一定的盲目性，根据本工程选择的16种不同转换梁尺寸的电算结果分析表明，结构转换层刚度对上部结构内力的影响存在一定的规律。
1．转换梁高度对剪力墙超限构件数量的影响
转换梁刚度D=EhI，当混凝土强度等级确定后，I是影响刚度的主要因素，根据材料力学公式I=bh3/12可知，刚度与梁的宽度成正比，与梁的高度的3次方成正比，故梁的高度变化明显影响梁的刚度变化，因此首先分析梁的高度变化与剪力墙内力变化的规律。以梁宽b=0.8m为例,分别绘出当h=1.0、1.5、2.0、2.5m时剪力墙的超限构件数量关系如图2。
图2
根据图2可知，梁的高度越大，构件的总超限数越少，各层的超限构件数目与总超限构件数目变化趋势一致。同时超限构件数目集中在转换层上(第4层)，占总超限构件数目约50%以上，且转换梁的高度越大，所占比例越大（h=2.5、2.0、1.5、1.0m时分别为70%、53%、50%、45%)，可见梁的高度越大，沿高度剪力墙内力变化越大，反之亦然.但总的影响高度基本不变(至第9层)。当梁的高度为lm时，超限构件数目明显增加(本例从1.5m—1.0m，超限构件数目增加1.5倍;2.5—1.5m之间每级增加约20%)，即当梁的高度太小时，结构的受力状态明显变差，设计时转换梁的高度不宜太小。
2.转换梁宽度对剪力墙超限构件数量的影响
以转换梁高度2.5m为例，宽度为0.6m、0.7m、0.8sm、0.9m时剪力墙的超限构件数目变化曲线见图3。结果表明当梁的高度一定时.梁的宽度变化对上部剪力墙内力变化有一定影响。梁的宽度越大，靠近转换层的楼层超限构件数越少，内力变化影响高度越大(b=0.9m时影响达到第9层);梁的宽度越小，靠近转换层的楼层超限构件数越多，内力变化影响高度越小(b=0.6m时影响达到第7层)，但超限构件总数基本不变。
图3
3．转换梁刚度对剪力墙超限构件数量的影响
以上分别讨论了转换梁高度和宽度对上部剪力墙内力的影响规律，为了综合上述转换梁尺寸变化对上部结构内力的影响，讨论转换梁的刚度变化对超限构件数目影响的变化规律具有一定意义。为了便于分析，以0.6m*1.0m的转换梁刚度为1.0，其余各梁的刚度取相对值，其变化规律如图4所示。梁的刚度和超限构件数量变化曲线为一抛物线，当梁的相对刚度小于1时，越限构件数量明显增加;梁的相对刚度大于1时，构件超限数量增加很少，因此在设计中应合理选用转换梁尺寸。
图4
4．带转换层结构上部剪力、内力与普通框支剪力墙内力的比较
根据对电算结果的分析及与普通框支剪力墙内力分析的比较，表明两者之间存在较明显的差别:
（一）转换梁的刚度对上部剪力墙内勺的影响范围有明显作用，而框支剪力墙上部内力的影响范围仅与框架的净跨L0有关;
（二）带转换层结构的上部剪力墙一般都开有洞口，且位置随建筑要求不同而不同，故上部结构内力变化较为复杂，有时局部出现异常(如本例第7层)，而一般框支剪力墙的内力变化符合弹性理论的分析结果。
（三）带转换层结构的上部剪力墙内力变化规律数据具有一定的离散性，而框支剪力墙的内力变化完全可按弹性理论的方法进行分析。
由以上几点可知，带转换层结构的内力分析不能完全按框支剪力墙内力分析规律对整体结构进行分析，其本身具有一定的特殊性和规律性。
六．结束语
带结构转换层的高层建筑的结构设计在现代建筑设计中应用的十分普遍，必须做好这方面的研究和实践，推动带结构转换层的高层建筑的结构设计的发展。
参考文献：
[1]熊进刚 李艳 带结构转换层的高层建筑结构设计 (被引用 7 次) [期刊论文] 《南昌大学学报(工科版)》 ISTIC -2002年4期
[2]季静 韩小雷 杨坤 郑宜 带主次梁转换层的超限高层建筑结构设计 (被引用 10 次) [期刊论文] 《结构工程师》 ISTIC -2005年2期
[3]韩小雷 杨坤 郑宜 季静 带梁式转换层的超限高层建筑结构设计 (被引用 4 次) [期刊论文] 《昆明理工大学学报（理工版）》 ISTIC PKU -2004年6期
[4]段晓飞 王海涛 高层建筑混凝土梁式转换层结构设计 [期刊论文] 《城市建设理论研究（电子版）》 -2012年21期
[5]张根俞 梁书亭 朱筱俊 某综合楼型钢混凝土梁式转换结构设计与分析 [期刊论文] 《建筑技術》 ISTIC PKU -2009年5期
[6]陶英容 带箱形转换建筑结构的试验研究与分析 [学位论文]， 2008 - 同济大学土木工程学院 同济大学：建筑与土木工程
[7]吴蓉蓉 大底盘多塔楼结构若干关键性设计技术问题研究 [学位论文]， 2008 - 同济大学土木工程学院 同济大学：建筑与土木工程