简谈若干问题高层建筑转换层设计若干理由小结

【摘 要】随着城市建设的不断发展，越来越多的高层建筑采用了转换层以满足不同建筑功能的需求。本文结合笔者多年实践经验，就高层建筑转换层设计若干问题进行了探讨，重点就上部剪力墙偏置的转换梁的分析及设计方法、带短肢剪力墙的转换层结构应用SATWE软件分析时应注意的问题进行了论述，为转换层设计提供参考。
【关键词】转换层；剪力墙偏置；设计方法；短肢剪力墙；SATWE软件
随着高层建筑向体型复杂、功能多样、造型新颖的方向发展，转换层的应用也越来越广泛。所谓转换层，就是一个建筑物中不同结构形式相连结的关节点，它既是下部结构的封顶，又是上部结构的“空中基础”，在整个建筑物结构体系中起着至关重要的连结纽带作用。高层建筑转换层的设计造成建筑物的刚度发生突变，在水平地震荷载作用下，转换层上下容易形成薄弱环节，因此，高层建筑转换层设计必须合理科学。下面结合工程实际，对转换层设计中的若干问题进行探讨。

1.上部剪力墙偏置的转换梁的分析及设计方法

目前，对转换梁的设计和分析一般是结合结构整体分析结果，再采用FEQ等平面有限元分析对转换梁进行辅助的局部分析，得到受力和配筋结果。这种方法对于转换梁上部剪力墙比较规整的情况，计算结果具有足够的精度，基本能满足工程设计的要求。但在实际工程中，上部墙体经常出现轴线垂直于转换梁轴线的不规则墙或短肢墙，以及墙体轴线与转换梁轴线上下不对齐的偏心剪力墙，这些情况均会在转换梁中形成较大的扭矩，但平面有限元却无法反映出这种扭矩所造成的出转换梁平面外的应力状况。
以某工程为例，转换层设在第5层，其上是26层的商住楼，原设计转换梁截面尺寸为800mm×2200mm，混凝土强度等级为0，被托换的剪力墙厚为200mm，剪力墙的一端落在框支柱内，其余大部分由转换梁支承（见图1）。利用通用有限元程序SAP2000的三维实体线弹性单元对偏心转换梁进行分析，取两层楼高的剪力墙参加计算。从SATWE空间计算的各种工况结果中，选取使转换梁产生最大剪力的一组工况：截面剪力Q=5900kN，弯矩M=1873kN·m，扭矩T=821kN·m，当仅验算截面剪压比时，根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）第6·2·9条，0.15fcbh0/γRE≥Q（式中fc为混凝土轴心抗压强度设计值；b为梁、柱截面宽度或抗震墙墙肢截面宽度；h0为截面有效高度；γRE为承载力抗震调整系数），则0.15fcbh0/γRE=0.15×19.1×800×2200×0.85=5932kN>Q=5900kN，满足要求。但按《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）第6·4·1条，验算弯、剪、扭共同作用下时截面是否符合式：V/（bh0）+T/（0.8Wt） ≤0.25βcfc（式中，V为剪力设计值；b为矩形截面的宽度；h0为截面的高度；T为扭矩设计值；Wt为受扭构件的截面受扭塑性抵抗矩；βc为混凝土强度影响系数；fc为混凝土轴心抗压强度设计值），则V/（bh0）+T/（0.8Wt）=5.07N/mm2>0.25βcfc=4.78N/mm2。说明在弯、剪、扭共同作用下截面不足。可见在有较大偏心扭矩存在的情况下，仅按通常做法验算截面剪压比是不够的，对转换梁的安全不利。解决的办法是：在对应剪力墙的端部加一条抗偏梁，约束转换梁的扭转，这样，偏轴墙造成的偏心扭矩就可以按此处的剪力墙和抗偏梁的线刚度及两侧的转换梁抗扭刚度的比例分配：
式中，φ为节点附加转角；KW为上部剪力墙的线刚度；Kb为抗偏梁的线刚度；Ktb

1、Ktb2为节点两侧转换梁的抗扭刚度。

针对该工程，在剪力墙端部加一条700mm×1000mm的抗偏次梁，重新计算的转换梁上扭矩峰值由821kN·m减少至386kN·m，在弯、剪、扭共同作用下，V/（bh0）+T/（0.8Wt）=4.20N/mm2<0.25βcfc=4.78N/mm2，截面满足要求。由此可见，抗偏梁能有效抑制转换梁侧翻转角，减小转换梁扭矩及上部剪力墙出平面弯矩带来的墙内附加弯曲应力，使墙—梁平面检测定有限元计算结果更可信，能减少转换梁的两端扭—剪联合作用的程度，使结构维持稳定。另外，对于高位转换层结构，在相同混凝土用量前提下，采用高而窄的转换梁能提高层间抗侧移刚度，缓解转换层上、下刚度突变，带来的梁稳定问题可由抗偏梁解决。当然，解决转换梁的扭矩，也可以采取加大截面，增加抗扭钢筋的方法，但这是一种在扭转变形前提下的被动的解决方式，而由于梁扭转变形给上部剪力墙带来的出平面变形和内力并未克服，且也不经济。另外，采用箱形转换层，利用转换梁上下的转换层楼板来共同抵抗偏心扭矩也是可行的，但经济性肯定不如加抗偏梁的形式。

2.带短肢剪力墙的转换层结构应用SATWE软件分析时应注意的问题

《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010） （以下简称“高规”）定义带转换层的高层建筑结构为复杂高层建筑结构，SATWE软件在总信息中相对应的提供了“复杂高层”这种结构体系可供选择；针对短肢剪力墙结构则相对应的提供了“短肢剪力墙”结构体系可供选择。但对于带短肢剪力墙的转换层结构究竟应选择哪种结构体系进行分析才是最准确的呢？其实问题的焦点就在于两种结构体系中对于同一种构件

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，“高规”有什么不同的规定，用SATWE软件计算出的内力和配筋有什么不同，是否存在安全隐患？在这两种结构体系中只有剪力墙在“高规”中有不同的规定，而SATWE计算结果中也确实有不同之处，而其中又尤以转换层下的落地剪力墙区别较大，且对结构的安全影响也大，故重点分析在两种结构体系中转换层以下的落地剪力墙的不同之处。以一栋7度区30层高，转换层位于第5层的高层建筑为例，转换层以下既有短肢剪力墙也有普通剪力墙。

2.1 抗震等级

“高规”规定；当转换层的位置在3层及3层以上时，其框支柱、剪力墙底部加强部位的抗震等级宜提高一级。从SATWE的计算结果可以看出，用“剪力墙”结构体系计算的落地剪力墙的抗震等级为特一级，落地普通剪力墙的抗震等级为一级；而用“复杂高层”结构体系计算的两种剪力墙均为一级。对于转换层为3层或3层以上的结构，两种结构体系均要求提高一级，而“剪力墙”结构体系针对短肢剪力墙又提高了一级，故由二级提高到特一级。而对于“复杂高层”结构体系，由于程序不能自动判断短肢剪力墙，所以抗震等级仅提高了一级。

2.2 内力分析

从SATWE的计算结果可以看出，在地震组合作用下“复杂高层”结构体系计算出的剪力墙弯矩值一般大于“短肢剪力墙”结构体系计算出的弯矩值。这是因为“高规”规定，对于复杂高层结构其特一、一、二级落地剪力墙底部加强部位的弯矩设计值，应按墙体底截面有地震组合的弯矩值乘以增大系数

1.8、5、25，而短肢剪力墙并没有要求对底部加强部位的弯矩设计值进行调整。

对于短肢剪力墙，两种结构体系均要求在底部加强部位对剪力设计值进行调整，一级和特一级应分别放大1.6和1.9，但由于在“短肢剪力墙”结构体系中落地短肢剪力墙的抗震等级为特一级，而在“复杂高层”结构体系中则为一级，二者的剪力设计值因此相差近20%。
另外，在“短肢剪力墙”结构体系中非底部加强部位的短肢剪力墙也提高到一级，其剪力设计值放大1.4，而在“复杂高层”结构体系中非底部加强部位的短肢剪力墙仍为二级，且剪力设计值不放大，二者相差40%。

3.合理调配框支柱、柱支梁截面，用精细化设计控制成本

转换层设计时框支柱应满足“高规”第6·4·2条规定，一级时轴压比应小于0.6，二级时轴压比应小于0.7，如无特殊情况，框支柱满足轴压比要求时均为构造配筋。因此，设计时框支柱的截面尺寸以满足轴压比限值为准，过大则造成浪费。有的设计人员为了尽量减小框支梁的截面尺寸，人为的拉大框支柱截面尺寸，用框支柱去包住上部剪力墙，却没有考虑到框支柱从转换层楼面算起，直到基础顶面，有时会高达20～30m，且全截面按构造的1.2%配筋率来配筋，所增加的混凝土及钢筋用量往往会超过框支梁节约下来的用量，且对侧移刚度并没有太大的贡献。
4.结语
综上所述，转换层设计是高层建筑结构设计的一个难点，须根据工程本身特点和验算中受力状态的不明确等因素，选择科学合理的设计方案，确保方案设计的全面性、科学性，这样才能减少今后施工的风险和难度。
参考文献：
陈建敏.转换梁设计计算方法的研究[J]结构工程师，2004.01
关明宇等.高层建筑转换层设计方案探讨[J]黑龙江科技信息，2011.19