建筑转换结构抗震设计

 　　随着高层建筑向着多功能和综合用途的方向发展，在同一竖直线上出现两种或者多种不同用途的楼层，本文就高层建筑梁式转换结构抗震设计的要点和需要遵循的几个基本原则进行了简单的探讨。

　　《中华建设》是由国家建设部主管，建设部政策研究中心和湖北省建设信息中心共同主办的优秀期刊。是全国建设行业的核心期刊。本刊为国家级期刊，在全国范围内发行，在行业内拥有权威而广泛的影响。

　　多功能的高层建筑，往往需要沿建筑物的竖向划分为不同用途的区段，例如建筑物底部通常会作为大型的商业空间或者大厅，主要交通通道等，上部作为住房活或者是办公空间等。这些建筑的竖向构件往往不能够上下连续，需要在结构转换的楼层设置水平转换构件，即转换层构件。上述这种要求与结构的合理性、自然布置正好相反，正常情况下建筑物结构下部楼层受力会很大，所以通常建筑物下部的为了保证建筑物足够的刚度，柱网排列较密、墙多、随着层数向上递增而减少。但是，为了满足建筑功能的要求，结构必须以与常规方式相反进行布置，上部小空间，布置刚度大的剪力墙，下部大空间，布置刚度小的框架柱。为此，必须在结构转换的楼层设置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，称结构转换层。

　　转换层的结构形式：当内部要形成大空间，包括结构类型转变和轴线转变时，可采用梁式、桁架式、空腹桁架式、箱形和板式转换层;当框筒结构在底层要形成大的入口，可以有多种转换层的形式，如梁式、桁架式、墙式、合柱式和拱式等。目前，国内用得最多的是梁式转换层，它设计和施工简单，受力明确，一般用于底部大空间剪力墙结构。当上下柱网、轴线错开较多，难以用梁直接承托时，可以做成厚板或箱式转换层，但其自重较大，材料耗用较多，计算分析也较复杂。

　　1转换层结构的设计原则

　　随着人们对与建筑空间以及建筑功能的要求，带有转换结构的高层建筑被越来越多的应用于实际工程中。这种带有转换层的结构由于竖向抗侧力构件的中断，导致转换层以下的结构的抗侧刚度与楼层的屈服度减少，进而引起变形较为集中，能量也比较集中，极易在外力的作用下发生严重的破坏，进而造成生命和财产损失。因此我们在对高层建筑转换层结构的抗震进行设计时，应满足以下设计要求：

　　1.1加强转换层及其下部结构刚度，转换层及其上下楼层的层刚度基本均匀。

　　需要设置一定比例的落地剪力墙，并加大落地剪力墙的厚度或提高混凝土的强度等级，必要时可增设部分剪力墙。转换层上下结构的刚度比计算根据《高层建筑混凝土结构技术规程》规定抗震设计时，当转换层位于1层时可采用剪切刚度比γ= ≤2(其中，G1,G2为底层和转换层上层的混凝土剪变模量;A1、h1，A2、h2为底层和转换层上层的抗剪截面面积、层高);当转换层位于2层及以上时可采用等效侧向刚度比γe= ≤1.3;转换层位于3层及以上时其楼层与上层侧向刚度之比 ≥0.6(即要用《建筑抗震设计规范》的层剪力与层间位移之比的刚度计算法)

　　1.2应尽量强化和提高转换层以及下部结构抗震承载能力，避免罕遇地震作用下下部主体结构(框支柱、转换梁等)破坏，同时应注意保证转换层上部1层～2层不落地剪力墙的承载能力和延性，避免重力荷载和罕遇地震作用下不落地剪力墙根部的破坏;注意和加强下部框架梁、上部连梁的延性，适应罕遇地震作用下的塑性较发育发展耗能的需要。

　　1.3应具有可靠的承载力

　　转换层承受的力，其中以竖向集中力非常大，这就需要转换层有较高的承载能力。所以一般的转换大梁的界面高度较大，甚至可达至1~2个楼层高度，另《高规》要求结构转换层的混凝土等级不得低于C30.

　　1.4优化抗震设计时，由于建筑功能的需要不得不采用高位转换时，转换结构还宜优先选择不致于引起框支柱柱顶弯矩过大、柱剪力过大的结构形式，如斜腹杆桁架、空腹桁架和宽扁梁等，同时要满足强度和刚度要求，避免出现脆性破坏。

　　1.5尽量控制底部转换层的位置高度

　　底部转换层位置越高，随之转换层上下的刚度就会发生越大的突变，转换层上下的内力传递也会愈加的加剧;此外，转换层设置的越高，框支剪力墙和落地剪力墙之间的剪力分配会有较大变化，落地剪力墙或简体易出现受弯裂缝，从而使框支柱的内力增大，转换层上部附件的墙体容易破坏，转换层附近楼层的剪力会出现突变，楼板将承受较大的剪力。总之，转换层的位置不宜设置过高，设置的越高对于结构的抗震越不利。

　　1.6当跨度超过8m的转换结构，8°抗震设计时，需要考虑地震对建筑结构的竖向作用力。

　　2梁式转换结构设计要点

　　2.1待转换层的高层建筑是一个较为复杂的空间受力体系，在进行机构抗震设计时必须将转换结构作为整体结构中的一个重要组成部分，并确定能反应结构中各构件的实际受力情况的力学模型，采用合适的分析软件进行整体结构的抗震受力计算。抗震计算过程中，应考虑到平扭耦联计算结构的扭转效应，振型数不应少于15，且应使振型参与质量不小于总质量的90%。

　　2.2应采用弹性时称分析法进行补充计算;必要时宜采用弹塑形静力或动力分析方法验算薄弱层弹塑形变形。在进行8度抗震设计时转换构件还应考虑竖向地震的作用，可采用反映谱方法或动力时程分析方法计算;取近似值考虑，也可取构件重力荷载代表值的10%;

　　2.3转换层是薄弱楼层，不论其竖向侧向刚度是否满足规范要求，其地震剪力应乘以1.15的增大系数。特一级、一级、二级转换构件水平地震作用内力应分别乘以增大系数1.8，1.5，1.25.

　　2.4在框支转换中，由于转换层以下的落地剪力墙的刚度远大于框支柱，因此，为提高剪力墙裂缝开展后框支柱的承载力安全度，在设计时应对框支柱的剪力作相应调整。但是，需要注意的是，当框支柱剪力调整之后，与其对应的框支柱的弯矩和柱端剪力、弯矩以及框支柱的轴向力均不可以进行调整;框支柱承受的最小地震剪力计算以框支柱的数目10根为分界线，分别计算结构纵横两个方向的受力情况。

　　3转换层结构的节点处理

　　高层框架结构的节点破坏主要形式是节点核心区的剪切破坏和钢筋锚固破坏，根据“强节点弱结构”的抗震设计概念，框架体系的节点设计准则：

　　(1)节点的承载能力不能低于其连接构件(梁、柱)的承载能力;

　　(2)遇到的地震级数较小时，节点应该在弹性范围内工作;

　　(3)遇到的地震级数较大时(8级以上，含8级)，节点承载能力降低的幅度不得危及到竖向荷载的传递;

　　(4)梁柱纵筋在节点处应该有可靠的锚固;

　　(5)节点处的配筋应该减少施工难度。

　　3.1框架结构核心区的抗剪承载能力

　　节点核心区指的是框架梁与框架柱相交叉的部位。当抗震等级为三、四级时，核心区的抗剪力较小，一般不需要进行计算，节点的箍筋可以按照构造的要求进行设置即可。节点核心周围一般都有梁的约束，抗剪面积实际比较大，在对节点进行设计时对剪压比限值可以适当的放宽。框架节点的受剪承载力是由混凝土和节点处的箍筋共同组成的。影响受剪承载力的主要因素有：柱轴向力、正交梁的约束力、混凝土的强度和节点的箍筋情况等等。

　　3.2梁柱纵筋在节点处的锚固

　　梁、柱纵向钢筋的接头与锚固应符合相应的规范规定。常见的锚固方式有两种，直线锚固和弯折锚固。对于框架顶层边柱的梁、柱负弯矩钢筋则采用下列方式进行搭接：①抗震等级为一、二级时，梁、柱的负弯矩钢筋采用的是柱内梁内同时搭接的方式;②抗震等级为三、四级时，梁、柱配筋较低，宜采用梁内搭接的方式进行搭接。

　　总结

　　总之，在我们追求高层大空间、多功能建筑的同时，对高层建筑转换层的结构抗震设计不能忽视，这直接关系到人们的生命财产安全。而作为抗震设计中的节点处理，对建筑结构的抗震起着重要的作用，节点处理的好坏直接会直接影响工程质量。因此，设计人员在注重建筑结构抗震的同时，也不能忽视节点的处理。

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