高层建筑转换层结构设计与选型

作者：宁　磊石家庄万成民用建筑设计有限公司

摘　要　对带有转换层的高层建筑结构的设计方法与选型进行概述与比较.

关键词　高层建筑;转换层;抗震;搭接柱转换结构;斜撑转换结构;宽扁梁转换结构

中图号　TU318

结构上的转换层概念,主要是指在整个建筑结构体系中,合理解决竖向结构的突变性转化和平面的连续性变化的结构单元体系.转换结构除采用梁、桁架、空腹桁架、箱形结构等,近几年又有许多新型的转换结构形式涌现,如搭接柱转换结构、宽扁梁转换结构、斜撑转换结构等等.

1　带转换层高层建筑结构抗震性能

不管采用何种转换形式,带转换层的剪力墙结构仍是目前工程应用的主要结构形式.同时,由于转换层位置越来越高,带转换层的筒体结构也时有应用.对带转换层的剪力墙结构及带转换层筒体结构这两类转换结构,通过转换层上下层间位移角及内力变化情况的分析,可得出影响其抗震性能的主要因素,分别是:转换层设置高度、转换层上部与下部结构等效刚度比、转换层结构与其上层结构侧向刚度比.对带转换层筒体结构其主要影响因素表现为转换层上部外筒的刚度、转换层设置高度和内筒刚度.

对上述两类转换结构,转换层高度是影响其抗震性能的主要因素之一,转换层高度越高,转换层上下层间位移角及内力突变越明显,设计时应限制转换层设置高度.转换层与其上层的侧向刚度比对结构抗震性能有一定影响.对转换层位置较低的带转换层的剪力墙结构,控制侧向刚度比可以控制转换层附近的层间位移角及内力突变.

对转换层位置较高的带转换层的剪力墙结构,仅仅控制转换层上、下楼层的侧向刚度比是不够的还应控制转换层上部与下部结构等效刚度比,转换层上部与下部结构的等效刚度比越大,转换层上下层间位移角及内力突变情况越明显,设计时应当加以控制,使其尽量接近于1,且不大于1. 3.

带转换层的筒体结构,如转换层上部的外筒为框架,一般情况下不会发生刚度突变,但建立传力途径的变化仍然存在.这类结构的转换层设置高度可适当提高,等效刚度比一般都满足限制条件,但转换层本层侧向刚度与相邻上层侧向刚度之比值,有时会不满足限制条件.对这类结构的关键部位仍须采取加强措施.

2　带转换层高层建筑结构设计

综合一些震害研究、试验及分析工作等可知,带转换层等的高层建筑结构由于竖向布置及刚度变化,在地震作用下受力复杂,这也对高层建筑的结构设计提出了特殊的要求:

(1)减少转换.布置转换层上下主体竖向结构时,注意使尽可能多的上部竖向结构能向下落地连续贯通,尤其框架核心筒结构中核心筒应上下贯通.

(2)传力直接.布置转换层上下主体竖向结构时,注意尽量使水平转换结构传力直接,尽量避免多级复杂转换,慎重采用传力复杂、抗震不利的平厚板转换,如上下柱网确实无法对齐时,尽量采用箱形转换.

(3)强化下部、弱化上部.对于带转换层的剪力墙结构或筒体结构,可采取以下措施强化下部结构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置部分剪力墙、壁式框架或楼梯间筒体、提高抗震能力;可采取以下措施弱化上部:不落地剪力墙开洞、开口、减小墙厚等.

(4)优化转换结构.抗震设计时,当建筑功能需要不得以高位转换时转换结构宜优先选择不致引起地震作用下框支柱(边柱)柱顶弯矩过大、柱剪力过大的结构形式,如斜腹杆桁架、空腹桁架和扁梁等,同时要注意需满足重力荷载作用下强度、刚度要求.

(5)计算全面细致.必须将转换结构作为整体结构中一个重要组成部分采用符合实际受力变形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方法对转换结构进行局部补充计算,此时转换结构以上至少取两层结构进入局部计算模型,并注意模型边界条件符合实际工作状态.

3　新型转换层结构

搭接柱转换结构.搭接柱转换结构是一种新颖的转换结构体系.马来西亚吉隆坡城市中心(92层, 452m)和上海的金茂大厦(88层, 421m)、北京的中国银行大厦地下室均采用了这种结构体系.

1)设计原则.转换柱作为转换构件,混凝土用料较少、造价低、自重小,转换层本层建筑空间可充分利用,上下层沿竖向刚度突变较小.以利用搭接柱实现沿建筑立面的外扩为例,搭接柱可将上层柱受力传递到下层柱,.但需注意的是搭接柱上方楼盖承受过分大的拉力,易成为薄弱部位,搭接柱转层上部一两层楼盖仍可能受到影响,承受拉力;转换层下方楼盖主要承受压力.其承载能力相对较高.标准层外筒框架轴力向下传递,使搭接柱本身受力复杂,所受压力、剪立、弯矩都较大.

2)搭接柱转换结构的工作原理.搭接柱转换结构在重力荷载作用下的安全度和可靠度,主要取决于搭接块相连楼盖梁板的承载能力和轴向刚度的控制.楼盖梁板的承载能力和轴向刚度得到控制和满足,重力荷载作用下,次内力(柱、梁、板、墙的弯矩、剪力)及搭接柱变形就能受到控制,整个搭接柱转换结构就能正常工作.搭接块相连楼盖梁板承载能力和轴向刚度控制是搭接柱转换结构重力荷载作用下正常工作的关键技术.

以深圳大学设计院设计的深圳福建兴业银行大厦为例,由于该工程第3, 4层柱错位较多,而搭接柱高度受到建筑功能的限制不允许越层增加,设计方在受拉层第4层楼盖梁板特别采用了主动预应力,实践证明这是一种极为经济有效合理的措施:搭接柱顶层梁板施加预应力有别于通常预应力混凝土梁、板等预应力构件的概念.它是对结构实施主动预应力的概念,由预应力实现对整个搭接柱转换结构十佳反响荷载,产生结构的反向变形.它所提供的内力和变形都是由设计控制的有利内力和变形.这个主动预应力还包含了对整个搭接柱转换结构刚度的贡献.在小震组合下,控制楼面梁、板的拉应力小于混凝土的抗拉强度,使其轴向刚度不致因开裂而有较大的退化,有效地减小了搭接柱的转动.它的功能是:有利于平衡受拉层楼盖拉力,减小受拉楼盖拉应力,控制裂缝发展,确保受拉层楼盖梁板刚度,提高受拉层楼盖极限承载能力.形成反拱,减小主变形,减小次内力.

3)贯通落地筒体-框架结构工作特性.搭接柱转换基本保证了框架柱直接落地,整体结构的振动特性及地震作用下的工作状态与贯通落地筒体-框架结构无异.框架柱搭接转换本质是弱化了框架抗侧作用,更进一步强化了核心筒体的抗侧作用.因此核心筒体为整体结构最主要的抗侧力构件,其承载力、延性和截面尺寸应予以保证,当筒体自下而上变化混凝土强度等级、截面尺寸及配筋时,美籍变化均因延伸至搭接柱区段上一层,且需逐渐变化,减弱搭接柱转换引起局部刚度退化应力集中的影响,保证整体机构抗震承载能力不致突变.

4)搭接柱转换结构计算分析.为了了解搭接柱转换结构在总荷载、地震荷载组合效应下的工作状况,整体杆系、局部有限元分析十分必要,主要的软件可用TBSA、ETABS等等.

4　结语

给予建筑立面平面功能需要,上下层柱错位是,搭接柱转换是一种合理有效的转换结构.它传力直接,稳定可靠,尤适用以结构高位转换,具有十分优良的抗震性能.根据高层综合楼建筑功能的需要,选择适宜的结构转换层,不但可以节省材料用量,而且也可以节省建造费用.同时灵活的将建筑与结构统一,实现建筑之美.