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1、第1 1 八属全国高层建筑结构学术会议论义2 0 0 4 年关于结构转换层设置高度的探讨谢益人夏洪流吕晖钟和平( 陵门市建筑设计院有限公司暖门3 6 1 0 1 ) 4 ) ( 重庆大学土本工程学院重庆4 1 X ) 0 4 5 )提要本文以厦门东方时代广场设计实例为分析对象。通过四种模型的对比分析，探讨了转换层结构设置高度对结构内力、变形等的影响，所得结论具有明确的T 程指导意义。关键词转换层高层建筑抗震设计1 引言近年来，随着我国社会经济的发展和科学技术的不断进步，高层建筑发展十分迅速。尤其在大中型城市中，集商贸、办公、宾馆等多种建筑功能丁一体的高层建筑越来越多。为满足不同建筑功能的空间布
2、置要求，沿竖向通常具有不同的柱网及墙体设置，为完成上部楼层到下部楼层的结构裂式转变或上部楼层到卜部楼层结构布置改变，设置结构转换层是一种有效的结构处理方案。目前，高层建筑转换结构的常刚形式包括：粱式、桁架式( 含桁架、空腹桁架) 、箱形、厚板式等，其中梁式转换应用最为J “泛【1 1 。需要指出的是当前带转换层结构的复杂高层建筑在国内虽然应用很多，也取得了一些研究成果拉q 1 ，但转换层结构的系统研究还不够深入，尤其是地震作用下的分析远没有普通高层建筑成熟，现行规范嗡对此类结构的抗震设计也具有一定的局限性。本文结合实际一 ：l ：程厦门东方时代广场，就转换层设置高度对结构基本动力特性、结构振型
3、地震作用、结构变形、转换层下部构件内力等方面的影响进行研究。2 厦门东方时代广场转换结构的特点及分析模型设计2 1 结构特点厦门东方时代广场最早于1 9 9 3 年设计。并在2 0 0 1 年1 月完成人工挖孔桩及地F 室底板的施工，桩基验收合格。甲方为适应市场的需要，在不改变原设计层数和商度的前提谢益人男1 9 5 6 6 出生硕士商工3 6 5 第十八届金图商层建筑结构学术会议论文2 0 0 4 年下，对原设计建筑方案进行改动。形成以下特点：一四层裙楼为正交布置的柱网，与原设计一致。转换层位于裙楼屋西，转换层以上的混凝土墙体除核心筒位置保持不变，上下贯通连续外，其余住宅剪力墙均按4 5 。
4、斜向布置，无法直接落地，且部分斜向转换梁无法赢接支承在原设计的柱位上，局部形成二二级转换。主楼为三幢塔楼。在裙楼屋蕊以下( 即转换层以下) 通过裙楼屋面火底盘连为一体，要求不设永久伸缩缝，从而形成多塔结构体系。转换层以下裙楼为正交布置鲍4 层框支剪力墙结构。柱网：8 1 7 8 m ，从下至上层高分别为4 8 m ，3X 4 2 m ，转换层设在裙楼犀面大底盘上，距地1 8 4 m ，转换层上部为三幢2 7 层剪力墙结构住宅( 禽2 2 米高设备层) ，除设备层外。层高均为2 8 、2 9 m 。转换层经多种方案对比，确定采用梁式转换。2 2 分析模型转换层设置离度、转换构件刚度等因素均对转换
5、层结构的设计具有重要的影响，为尽可能全面地考虑上述因素的影响，特设计了四种模型进行对比分析，即：模型一：原结构模型，转换层位予六层楼面：模型- - ：转换层位于二层楼面，层数不变。结构高度减小：模型三：转换层位予二二层楼面，层数增加结构离度不变；模型四：将模型一转换层结构的转换梁截面高度与宽度对调，如模型一中8 0 0X2 8 0 0的粱改为2 8 0 0X8 0 0 的粱，其余不变。四种模型主要结构参数见表l 。表1 四种对比分析模型主要结构参数模型一、模型四模型二模型兰层质量标高层质羹标商层质畿标商 层号屡号层蛩 ( 1 0 3 k g )( m )( 1 0 3 k g )( m )(
6、i 0 3 k g )( m )卜31 8 1 84 2 一l2 6l4 3 5 34 8l4 3 5 34 841 9 7 31 6 821 4 8 87 621 4 8 87 654 3 5 32 1 63 3 01 3 5 21 0 4 - - 8 63 3 2 1 3 5 21 0 。4 9 l + 661 4 8 82 4 43 l1 4 3 l8 8 83 31 4 3 l9 4 47 一3 01 3 6 82 7 2 9 1 63 21 3 49 1 63 41 3 49 7 23 l1 4 3 l9 4 43 21 3 49 7 2罗4 7 6 6 54 5 2 6 24 7
7、9 6 63 转换屡设置高度的影响分析基于上述四种模型的计算结果，分别就结构基本动力特性、结构振型地震作用、缩构变形、转换层下部构件内力等方面进行对比分析。3 6 6 第十八届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 4 年3 、l 结构基本动力特性对比表2 给出了上述四个模型前9 个臼振周期的计算结果，结果表明：转换层分别位于二层、六层时，结构基本周期变化不大。四个模型的振动形态一致，第一主振型都是X 向第一振型为主，第二主振型都是扭转第一振型为主，第三主振型都是Y 向第振型为主，更高阶振型也有上述规律；图l 给如了模型一与模型二X 方向前3 阶振型对比图，由图可见，转换层位于二层和六层时，结
8、构振型基本相同。由上述结果可以确认肖转换层位置由二二层变化至六层时，结构自振周期、振型略有变化，但变化不犬。表2 四种模型的周期和振型计算结果对比模型一模型二模型三横墼p q振型振动形态 周期( s )周期( s )周期( s )周期( s )11 8 9 1 92 0 1 6 82 1 8 7 81 9 3 9 7X 向第一振型为生21 7 2 7 51 9 1 2 52 0 5 6 01 7 7 3 8扭转第一振型为生31 5 2 9 31 5 8 0 01 7 2 1 51 5 7 9 7Y 向第一振型为主4O 5 7 0 90 5 9 8 3O 6 4 5 2O 5 9 0 1X 向第
9、= 振墼为主50 5 5 3 30 5 8 6 8O 6 3 6 40 5 7 0 l扭转第二振型为主60 4 5 4 00 4 5 1 10 4 8 9 30 4 6 4 0Y 向第二二振型为主一70 3 3 0 70 。3 2 5 lO 3 5 1 80 3 3 6 3X 向第三振型为主80 3 2 4 7O 3 0 0 30 3 2 6 30 3 3 3 0扭转第三振型为主90 2 5 7 40 2 3 1 50 2 5 0 2O 2 S 9 6Y 向第三三振型为主3 2 结构振型地震作用对比图2 分别给出了模型与模型二x 方向前三阶振型的地震作用。由图可见，当转换层位于六层时，转换层所
10、处位置的各阶地震作用有明显的突变现象：当转换层位予二层时，转换层附近的地震作用变化较缓，没有突变现象，可以看出转换层位置越高对结构是越不利的。由于转换层结构重量较大，当转换层位置较高时，可能导致某较高振型的振型地震作用明显增大【2 0 l ，应取较多振型计算结构的地震作用。考虑到该工程转换层位置在六层楼面处，属于高位转换，实际设计时取3 6 个振型进行地震作用计算。文奠敞为。妒萎懈 枣瞍o x 耍o 挺璺I 向一精曩壁 一一参横受：x 向。蒲量粥+ 一横型一向二睹鞭囊一 一摸量= l 肉。二瓣赫癸 ，攮受一嘲三辩舞礴一lO 5O图1 模型一与模型二X 方向前三阶振型对比3 6 7 第十八届全国
11、离腰建筑结构学术会议论文2 0 0 4 年逛 秘攥帮x 期孤 繁地赡n 埘接繁x “蘸 妊簪地鬟f * i i蹬 警戡。x 向舔j 艰地瓣作I 封塑：X 舟繁兰 登地震作用。地震作卿( k N ) 1 0 0 0一2 0 0 0 地矮0 作, q J2 ( 0 k 0 N 0 ) 4 0 0 01 0 0 0 地露用毪鹳2 0 0 0图2 模型一与模型二X 方向前三阶振型地震作用对比05 0 0 01 0 0 0 01 5 0 0 02 0 0 0 002 0 0 0 0 0 4 0 0 0 0 06 0 0 0 0 08 0 0 0 0 01 0 0 0 0 ( X ) 层地震总剪力( k
12、N ) 层地震总弯娠( 啪1 1 1 )( a ) 楼层地震剪力( b ) 楼层地震弯矩图3x 向地震作用下不同模型各楼屡地震剪力及地震弯矩的变化曲线四种模型X 向地震作用卜的各层地震总剪力和地震总弯矩如图3 所示。由图可知，当转换层位于六层时，六层以下各楼层地震剪力和总弯矩仅比位丁二层时分别增人约1 7 2 3 、l l 1 7 ；当转换层位下六层时，六层以上各楼层地震剪力和总弯矩与转换层位丁二层时差别不大，有的略有减小，有的略有增加。所以转换层设置高度变化时，对转换层以下的楼层地震作刚影响较人，可能出现结构的薄弱层。所以在设计中戍采取有利的措淹对这些部位予以加强。3 3 结构变形对比当转换
13、层位于三层以上时易使框支势力墙结构在转换层附近层闻位移角发生突变1 2 0 j 。图4 示出了X 向地震作用下四种分析模型的各楼层侧移曲线和各楼层层间位移曲线，用以比较不同位置转换层的模型结构在地震作用F 的变形特性。计算表明，转换层位予二二层和六层时结构楼屡侧移变化很小。当转换层位予六层时，3 6 8 鹪弱墙00碘努第 八届令困赢层建筑结构学术会议论义2 0 0 4 年在转换层附近出现层间位移突变，但八层的层间位移值较转换层位丁：层时六层相应值小1 4 2 - 1 4 6 ：当转换梁刚度适当减小时( 模型四) ，层间位移的突变现象明显减小。从层间位移的变化来看，转换层位置高对结构抗震不利，转
14、换梁的刚度过火对缩构也有不利影响。O2 0 位移( 胁)0 0 0 0 40 0 0 0 60 0 0 0 8层间位移角( a ) 楼层位移( b ) 层问位移图4X 向地震作用下不同模型各楼层位移及屡间位移的变化曲线3 4 转换层下部楼屡竖向构件的剪力、弯矩分配为考查不同模型转换层下部楼层竖向构件的内力分布特点，选取图5 中具有代表性的C l 柱和W 1 墙为分折对象，分别给出了不同模型( 转换层位置不同) 在X 向地震作用下转换层下一层的墙柱顶剪力、弯矩对比图( 见图6 ) 。从图中可以看出，模型二、二( 转换层位丁- 层) 的C l 柱顶剪力和弯矩比模型一( 转换层位于六层)的相应值略有
15、减小，弯矩基本相等；且转换层位于层时( 模型二、三) W I 墙的剪力和弯矩也要小于转换层位于六层时的模型一。由此可见，在相同地震作用水平下，转换层位簧较低时，转换层下部墙柱构件的弯矩、剪力均有所减小，即转换层位置越低。对抗震结构的内力控制越有利。4 结论及建议f l-1 r - 甬 IIE ：lL - 掣-1ll_JL_J图5 转换层下部部分墙柱的编号本文以厦门东方时代，“场为背景。通过四种算例模型的对比分析，探讨了转换层设置位置对结构基本动力特性、结构振型地震作用、结构变形及转换层下部构件内力的影响，3 6 9 O505O5Ooo费鼙。第 八届全国离层建筑结构学术会议论文2 0 0 4 年
16、主要结论及建议如下：l4 l 1 2 0 01 0 0 0金8 0 0l, q 6 0 0籀： 4 0 02 0 003 0 0 02 0 0 0售1 0 0 0 Z荸0撩铲1 0 0 0一2 0 3 0 0 0( a ) 剪力( b ) 弯矩 图6 不同模型转换屡下一屡墙柱顶部x 向地震作用下内力对比豳地震作用下。转换层下部楼层的层总地震剪力和弯矩随转换层位置的增高有所增大，这是转换层位置较高带来的不利影响。但研究表明，最大层地震剪力和弯矩或由转换层位置的提高而引起的最犬增值般仍发生在首层。其原因主要在于，对层数较多的高层建筑( 如3 0 层及以上的建筑) ，转换层本身的地震作用在全部地震作用中所l 备的比例仍不大：转换层位予较高位置时，结构楼层的层间位移在转换层
