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1、带转换层高层建筑结构设计,苏州科技学院 土木工程学院 唐 兴 荣 教 授 二O一二年二月, 近年来国内、外高层建筑发展迅速，现代高层建筑越建越高、越建越大，其建筑向着体型复杂、功能多样的综合性方向发展。,综合性多功能高层建筑示意,一、 概 述,一、结构转换层的概念,建筑功能：上部需要小开间的轴线布置和需要较多的墙体以满足旅馆和住宅的功能要求；中部则需要小的或中等大小的室内空间，可以在柱网中布置一定数量的墙体以满足办公用房的功能要求；下部需要尽可能大的自由灵活的室内空间，要求柱网大、墙体尽量少，以满足商店、餐馆等公用设施的功能要求。,结构受力：由于高层建筑结构下部楼层受力很大，上部楼层受力较小，
2、正常的结构布置应是下部刚度大，墙体多、柱网密，到上部渐渐减少墙、柱的数量，以扩大柱网。这样，结构的正常布置与建筑功能对空间的要求正好相反,为满足建筑功能的要求，结构必须进行“反常规设计”，即将上部布置小空间，下部布置大空间；上部布置刚度大的剪力墙，下部布置刚度小的框架柱。为了实现这种结构布置，就必须在结构转换的楼层设置结构转换层（structure transfer story），在结构转换层布置转换结构构件(transfer member)。,一般而言，当高层建筑下部楼层竖向结构体系或形式与上部楼层差异较大，或者下部楼层竖向结构轴线距离扩大或上部结构与下部结构轴线错位时，就必须在结构改变的楼
3、层布置结构转换层，在结构转换层布置转换结构构件。,二、结构转换层的建筑功能及其分类 （一）结构转换层的建筑功能 在高层建筑中设置结构转换层可以实现以下建筑功能： 1提供大的室内空间 在传统的剪力墙结构中，剪力墙间距小，适合于布置旅馆和住宅的客房层，当需要在底部布置商店、会议室、餐馆、文化娱乐及其它需要较大空间的公用房间时，可以将部分剪力墙通过转换层变为框支剪力墙，用框架柱代替剪力墙，形成大空间剪力墙结构以满足建筑功能的要求。 大空间剪力墙结构可以在建筑物下部一层或数层形成大空间。 2提供大的出入口 一般而言，框架核心筒结构和外围为密柱框架的筒中筒结构的内筒从上到下不需作什么变化，需要转换的主要
4、是外筒。由于外框筒常常布置34m的柱距，无法为建筑物提供较大的入口，为了布置大的入口，要求在底部布置水平转换构件以扩大柱距。此时，转换构件沿建筑平面周边柱列或角筒布置。,（二）结构转换层的分类 从结构角度看，结构转换层主要实现以下结构转换： 1、上层和下层结构类型的转换 转换层将上部剪力墙转换为下部框架，以创造一个较大的内部自由空间。这种转换层广泛用于剪力墙结构和框架-剪力墙结构中，称这种类型的转换层为第I类转换层（图6-3中的转换层）。 2、上层和下层柱网、轴线的改变 转换层上、下层的结构形式没有改变，通过转换层使下部柱的柱距扩大，形成大柱网。这种转换层常用于框架核心筒结构和外围密柱框架的筒
5、中筒结构的底部形成大入口的情况，称这种类型的转换层为第类转换层（图6-3中的转换层）。 3、同时转换结构形式和结构轴线位置 上部楼层剪力墙结构通过转换层改变为框架的同时，柱网轴线与上部楼层的轴线错开，形成上、下结构错位的布置，称这种类型的转换层为第类转换层。,图6-3 转换层的结构功能,（a）1-3层平面,（b）标准层平面,广州金鹰大厦（第I类转换层）,（a）15层平面,（b）标准层平面,北京军队离休干部活动中心（图6-5），地下2层，地上21层，建筑总高度H=76.8m。5层以上为大开间剪力墙结构，15层部分剪力墙转换为框支柱，形成较大室内空间以设置公共部分。,北京军队离休干部活动中心（第I
6、类转换层）,（a）五层平面,（b）标准层,香港新鸿基中心 （第类转换层）,(a) 转换层以下平面,(b) 转换层以上平面,南京新世纪广场工程（第类转换层）,高层建筑上部立面收进时需要设置转换构件，上、下层柱不在同一轴线上，且往往是高位转换，转换构件布置比较复杂，要根据结构布置的具体情况采用不同的转换方式和转换构件，其中常用的是斜柱转换构件。,沈阳华利广场为多边形高层钢筋混凝土结构，33层，高115m，上部为公寓，中间走道环向布置了柱子，到下部办公楼层时，取消环向走道及其环向柱子，采用了斜撑式的转换构件将上部环向柱子的荷载传递到内筒上（图6-8），楼板内布置钢筋环梁，抵抗斜撑推力。,沈阳华利广场
7、（第类转换层）,(a) 15层平面,（b）628层平面,深圳华侨大酒店（第类转换层）,二、转换层的主要结构形式,从结构转换层的概念来看，建筑物上部结构与地基间的基础，广义上讲也是一种结构转换层。因此，钢筋混凝土梁式、板式基础（包括柱下条形基础、交梁基础、片筏基础以及箱形基础）的结构形式同样可作为建筑物上部结构之间的转换结构形式。,图6-12 转换结构构件,内部大空间转换层的结构形式,(a)桁架；（b）箱形；（c）空腹桁架；（d）托梁；（e）双向梁；（f）板式,外部形成大入口的转换层,(a)转换梁(转换墙)；(b)转换桁架；(c)转换空腹桁架；(d)多梁转换；(e)合柱；(f)转换拱,国内外筒的
8、转换最常见的做法是转换梁或转换桁架,平面和空间斜柱转换,高层建筑上部立面收进时，上层柱、下层柱不在同一轴线上，转换构件常用的是斜柱式的转换构件。采用斜柱转换方式和转换构件的实际工程有：沈阳华利广场、武汉世界贸易大厦主楼等。,三、带转换层高层建筑结构布置,一、底部转换层的设置高度 结构转换层可根据其建筑功能和结构传力的需要，沿高层建筑高度方向一处或多处灵活布置（也可根据建筑功能的要求，在楼层局部布置转换层），且自身的这个空间既可作为正常使用楼层，也可作为技术设备层。 转换层位置较高时，易使框支剪力墙结构在转换层附近的刚度、内力发生突变，并易形成薄弱层，其抗震设计概念与底层框支剪力墙结构有一定的差
9、别。转换层位置较高时，转换层下部的落地剪力墙及框支结构易于开裂和屈服，转换层上部几层墙体易于破坏。转换层位置较高的高层建筑不利于抗震。 高层建筑混凝土结构设计规程（JGJ3-2002）规定：对部分框支剪力墙结构，转换层设置高度，8度时不宜超过3层，7度时不宜超过5层，6度时其层数可适当增加。 对底部带转换层的框架核心筒结构和外筒为密柱框架的筒中筒结构，由于其转换层上、下部结构的刚度突变不明显，转换层上、下内力传递途径的突变也小于框支剪力墙结构，转换层设置高度对这种结构虽有影响，但不如框支剪力墙结构严重，因此这种结构的转换层位置可比框支剪力墙结构适当提高。 当底部带转换层的筒中筒结构的外筒为由剪
10、力墙组成的壁式框架时，其转换层上、下的刚度突变及内力传递途径突变的程度与框支剪力墙结构比较接近，其转换层设置高度的限制宜与框支剪力墙结构相同。 对大底盘多塔楼的商住建筑，塔楼的转换层宜设置在裙房的屋面层，并加大屋面梁、板尺寸和厚度，以避免中间出现刚度特别小的楼层，减小震害。,任意层形成大空间或改变柱列的转换层,(a)巨型框架结构；(b)错列墙梁结构；(c) 错列桁架结构；(d) 错列剪力墙结构；(e)迭层承托桁架结构；(f)多梁承托方案,二、转换层上、下刚度突变的控制 带转换层高层建筑结构设计时应控制转换层上、下层结构的等效刚度比。,转换层上、下等效侧向刚度计算模型,（a）计算模型1转换层及下
11、部结构；（b）计算模型2转换层上部结构,为防止出现转换层下部楼层刚度较大，而转换层本层的侧向刚度较小，此时，等效刚度比虽能满足限值的要求，但转换层本层的侧向刚度过于柔软。 高层建筑混凝土结构设计规程（JGJ3-2002）规定：转换层结构除应满足上述等效剪切刚度或等效侧向刚度比要求外，还应满足楼层侧向刚度比的要求：当转换层设置在3层及3层以上时，其楼层侧向刚度尚不应小于相邻上部楼层侧向刚度的60%。,（三）转换构件的布置 转换层结构中转换构件的布置必须与相邻层柱网统一考虑。,图6-18 转换结构构件的平面布置,把转换构件布置在平面周边柱列或角筒上（图6-18a、b） 内部要求尽量敞开自由空间，转
12、换构件可沿横向平行布置（图6-18c） 转换构件可沿纵向平行布置（图6-18d） 当需要纵、横向同时转换时，转换构件可采用双向布置（图6-18e） 间隔布置，并与相邻层错开布置（图6-18f）,图6-18 转换结构构件的平面布置,顺建筑平面柱网变化而合理布置（图6-18g） 相邻层互相垂直布置（图6-18h） 围绕巨大芯筒在底层四周自由敞开时，转换构件布置在两个方向的剪力墙上，并向两端悬挑（图6-18i） 必要的话可对角线布置（图6-18j） 建筑平面及芯筒为圆形时，可放射性布置（图6-18k）。, 转换层上部的竖向抗侧力构件（墙、柱）宜直接落在转换层的主要结构上，且转换层上部结构应尽可能地落
13、到转换梁的中面上，以避免转换梁受到很大的扭矩。 转换构件布置时，应尽量避免出现框支主梁承托剪力墙并承托转换次梁及次梁上的剪力墙的方案。考虑到框支主梁除承受其上部剪力墙的作用外，还需承受次梁传给的剪力、扭矩和弯矩，框支柱易受剪破坏。 因此，B级高度框支剪力墙结构不宜采用框支主、次梁方案； A级高度框支剪力墙结构可以采用，但设计中应对框支剪力墙进行应力分析，按应力校核配筋，并加强配筋构造措施。,（四）剪力墙、筒体和框支柱的布置 落地剪力墙、筒体和框支柱的布置对于防止转换层下部结构在地震中发生严重破坏或倒塌将起着十分重要的作用。必须特别注意落地剪力墙、筒体和框支柱的布置。为此，应采取措施防止转换层下
14、部结构发生破坏,图6-19 底部大空间剪力墙结构,1、带转换层的筒体结构的内筒应全部上、下贯通落地并按刚度要求增加墙厚度；框支剪力墙结构要有足够的剪力墙上、下贯通落地并按刚度要求增加墙厚度。 与建筑协调，争取尽可能多的剪力墙、筒体落地，且落地纵向、横向剪力墙最好成组布置，组合为落地筒体（图6-19）。加大落地剪力墙、筒体底部墙体的厚度，尽量增大落地剪力墙、筒体的截面面积。 落地剪力墙、筒体数量本来就不多，所以尽量不开洞，开小洞，以免刚度削弱太大。若需开洞，洞口宜布置在落地剪力墙、筒体墙体的中部。,5、转换层上部结构与下部结构的等效剪切刚度（等效侧向刚度）比应满足高层建筑混凝土结构设计规程（JG
15、J3-2002）要求，以控制刚度突变，减小内力突变程度，缩短转换层上、下结构内力传递途径。,四、带转换层高层建筑结构的抗震等级,抗震设计的复杂高层建筑结构，根据设防烈度、结构类型、房屋高度区分为不同的抗震等级，采用相应的计算和构造措施。 A级高度的高层建筑结构，应按表6-1确定其抗震等级。 B级高度的高层建筑，其抗震等级应有更严格的要求，应按表6-2采用。,1、考虑到高位转换对结构抗震不利，特别是部分框支剪力墙结构。因此，部分框支剪力墙结构转换层的位置设置在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尚宜按表6-1和表6-2的规定提高一级采用（已经为特一级时可不再提高），提高其抗震
16、构造措施。 2、对于底部带有转换层的框架核心筒结构和外围为密柱框架的筒中筒结构，因其受力和抗震性能比部分框支剪力墙有利，故其抗震等级不必提高。因此，底部带转换层的筒体结构，其框支框架的抗震等级应按表中框支剪力墙结构的规定采用 3、转换层构件上部二层剪力墙属底部加强部位，其抗震等级采用底部加强部位剪力墙的抗震等级。,各抗震设防类别的高层建筑结构，其抗震措施应符合下列要求： 1、甲类、乙类建筑：当本地区的抗震设防烈度为68度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求；当本地区的设防烈度为9度时，应符合比9度抗震设防更高的要求。当建筑场地为类时，应允许仍按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施。 2、丙类建筑：应符合本地区抗震设防烈度的要求。当建筑场地为类时，除6度外，应允许按本地区抗震设防烈度降低一度的要求采取抗震构造措施。 3、建筑场地为、类时，对设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区，宜分别按抗震设防烈度8度（0.20g）和9度（0.40g）时各类建筑的要求采取抗震构造措
