高层建筑转换层结构设计

高层建筑转换层结构设计

陈芳

陈芳深圳市建筑设计研究总院有限公司广东深圳518000

摘要：随着我国建筑不断以多样化、不规划的建筑形式出现，这些不规则给结构抗震设计也带来的很大难度。多样化以转换层为主，多样空间结构、体形怪异等建筑如雨后春笋。本文根据工程实例，对建筑厚板转换层的设计及施工进行探讨。

关键词：建筑工程；厚板转换层；结构设计

一、工程概况某建筑工程地下两层，地下一层为车库，地下二层为平战结合六级人防，集商业、住宅为一体的综合建筑。裙房顶部设置室内游泳池，住宅楼的正方形平面与裙房柱网形成30角扭转，可以得到充足的日照，同时让两幢楼更富有空间特色。

二、结构选型项目A、B座塔楼（图la），四层以上为住宅，采用剪力墙结构；四层以下为商业用房，要求有较大的柱网，采用框架剪力墙结构。四层以上墙体除楼、电梯间墙体落地以外，大部分墙体未落地，其内力需经转换构件来传递（见图lb、c）。

图l项目东A、B座塔楼剖、平面图由于转换层以上两个剪力墙结构的塔楼，其平面与四层以下为框架剪力墙结构的柱网扭转30角，塔楼墙体除一小部分落至下层外，其它墙体大部分不在柱网之上。如果用梁式、桁架转换或箱式转换，转换构件太多且很难布置，部分剪力墙需经几次传递方能传至柱网的主要转换构件之上，形成转换梁连接转换梁的多次传递，使传力途径过于复杂。根据分析，本工程采用厚板做为转换构件。

三、结构整体设计及分析（一）主要设计参数本工程场区的地震基本烈度为7度；III类场地土。基本风压为0.45kN／m2。

本工程为双塔楼大底盘厚板转换层结构体系。转换层厚板板厚1.9m。

转换层上住宅双塔楼为剪力墙结构，剪力墙厚200mm；转换层以下的框支柱选择为Φ1300mm圆柱，采用螺旋箍筋，体积配箍率ρ≥1.2%。由于圆柱有良好的抗震性能和延性及截面刚度的无方向性，对本工程的转换层以上塔楼平面与底盘平面非正交的结构平面布置极为有利。

（二）转换层上下剪切刚度比γ值的控制由于建筑功能的特殊性，双塔楼剪力墙落至转换层以下的墙体不多。

本工程通过加设底盘主楼范围以外的附加剪力墙，即加强大底盘内两塔楼之间的刚性联系，使底盘平面内剪力墙布置均匀，又有利于控制主体结构的刚度变化率。同时，由于本工程转换构件采用了厚板，其转换板刚度及质量均很大，从而引起该处产生的地震效应也很大，有应力集中现象（参见图2a剪力包络图）。为此，保证主体结构竖向刚度的均匀性是非常重要的。本工程转换层上塔楼剪力墙下落较少（建筑功能要求），且塔楼扭转30°角，致使塔楼所处部位的局部上下层剪切刚度比很难控制，故设计中采用缩小柱网、均匀布置框支柱的方案，以改善并提高转换层以下结构的受力性能。由于本工程的大底盘较小且柱网较密，转换层上两塔楼距离较近，转换层厚板刚度很大，所以整体结构刚度较好。因此，剪切刚度比按整体控制。

根据JGJ3-93《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》第2.4.5条规定，上下层刚度比γ宜接近1；非抗震设计时γ不应大于3；抗震设计时γ不应大于2，其值按下式计算：

图2塔楼A的剪力及位移包络曲线（三）计算结果本工程采用中国建筑科学研究院建筑结构研究所的高层建筑设计计算程序TBSA、TAT进行整体计算。其结构自振周期、剪力及位移计算结果列于表1、表2；塔楼A与塔楼B的剪力及位移包络曲线相同，图2给出了塔楼A的剪力及位移包络曲线。

表1结构自振周期（s）

四、厚板转换层设计与施工（一）厚板转换层设计本工程厚板采用中国建筑科学研究院高层建筑技术开发部编制的《转换厚板及楼板计算程序》—TBPI进行计算分析。该程序以应用广泛的中厚板理论—Mindlin为依据，应用有限单元法对转换厚板进行内力分析和计算。程序与TBSA接力运算。

转换板在游泳池处的板厚lm，其它部位1.9m。两种板厚交接处加腋处理，以解决由于板刚度突变引起的弯矩突变现象。板配筋率为0.6%（单向上下二层钢筋的配筋率），于柱上板带处设置暗梁形成纵横空间骨架，暗梁箍筋体积配箍率为0.5%，于塔楼剪力墙下设置暗梁，以提高结构的延性。

板的抗冲切、剪切强度均满足现行规范的要求。

（二）转换层厚板大体积混凝土施工的技术措施本工程的结构转换层厚板板厚1.9m，属大体积混凝土。由于其位置处于地上4层处，转换层仅自重就达47.SkN/m2，如采用一次性浇筑，模板支撑难度很大；如果采用通天支撑，即从地下室设支撑直至4层底支撑模板，其人力、物力消耗太大，亦不可取。如采用以3层楼板为支撑底板，在其上部支柱以支撑转换层底部模板，由于转换层厚板自重很大，加上3层自重和施工荷载（含支撑、模板）等，其3层构件所承受的荷载约为56kN/m2，造成3层楼面构件梁板截面加大，一则造价增加太多，二则由于梁截面过大，影响建筑2层的有效空间高度。

为此，本工程采用分层浇筑法来施工转换层厚板，即将转换层厚板的施工分为二层来进行：第1层首先浇筑600mm板，做为第2层1300mm厚板的模板，然后进行第2层施工。这样既解决了由于厚板转换层自重及施工荷载过大的模板支撑问题，又不影响建筑使用功能及空间效果。

第1层板的配筋按无梁楼盖计算，其荷载取转换层自重加施工活荷载。

在第1、2层交界处，板上设竖向插筋，梅花型布置；在第2层施工前需对第1层表面进行处理，处理方法同施工缝做法。

厚板转换层部分属大体积混凝土，为防止施工中由于水化热引起的温度裂缝及混凝土在凝结过程中产生的干缩裂缝，施工中采取了如下措施：（1）采用粉煤灰混凝土，利用混凝土60天强度以减少水泥用量，从而降低水化热；（2）于混凝土中掺入一定量的膨胀剂，既有利于降低水化热，又使混凝土成为补偿收缩混凝土；（3）加强混凝土养护及温度检测，控制混凝土核心温度与表面温度之差小于25℃。

（三）设计体会（1）关于γ值的取值。本工程的转换层板厚为1.9m，加之该层净高4.55m，其总高度达6.5m。由于转换层厚板平面外刚度很大，且柱及剪力墙于厚板内有良好的嵌固作用，故ih的计算高度应小于实际高度6.5m。在计算γ值时，对于转换板下层层高ih的取值为：楼层净高+板厚之半，即h4.551.9/25.5(m)i=+=。

对于γ值公式中A值的计算，由于本工程的框支柱截面的总面积较大，与剪力墙之比为/=2.06cwAA。考虑到框支柱截面较大且与转换厚板有良好的嵌固，转换厚板平面外刚度非常之大（厚板最大的挠度仅为6.3mm—1/1486，故在厚板协同下，其结构整体性很好，且塔楼下底盘面积不大，剪力滞后现象应不明显。

框支柱轴压比在《高规》中规定μ≤0.6，柱截在设有厚板转换层的高层结构中，其厚板转换层刚度较大，对于上部结构形成有小位移的固定端，对上部结构的位移起约束作用，且由于厚板转换层的刚度较大其质量亦很大，于本层处将形成应力集中。故将转换层以上三层塔楼剪力墙作为加强层考虑。

（3）尽量减少上部结构的刚度。在结构布置满足规范要求前提下，应采用减少剪力墙、在剪力墙上开洞、减小剪力墙厚度等措施来减少上部刚度，以避免由于转换层上部刚度过大，使转换层下部墙柱（除轴压比控制以外）为协同上部刚度所引起的截面过大。