趙夢

（廣州市設(shè)計院集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510620）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，建筑物的高度和跨度不斷增加，越來越多的高層建筑涌現(xiàn)。相較于傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)，現(xiàn)如今大部分高層建筑需要較大的下部空間，上部配合使用更為密集的軸網(wǎng)提升穩(wěn)定性。在這種結(jié)構(gòu)下會存在上下軸網(wǎng)尺寸差異問題，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)傳力效果不佳。針對這一問題，需要科學(xué)選用結(jié)構(gòu)體型并科學(xué)設(shè)計轉(zhuǎn)換層，對高層建筑中應(yīng)用斜柱轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，利用更為穩(wěn)固的“三角形”構(gòu)造體系減小轉(zhuǎn)換梁截面高度，保證抗側(cè)能力。

1 工程概況

以東莞某項目為例，該項目總建筑面積為29967.28m2，屋面結(jié)構(gòu)高度為189.7m，為B 級高度建筑。地下2 層，商業(yè)裙樓采用框架結(jié)構(gòu)，地上共6 層，主屋面高度為28.2m；塔樓主要功能為住宅公寓，層數(shù)約47 層，低區(qū)公寓層高3.1m，中高區(qū)loft 層高4.5m，避難層層高4.5m。結(jié)構(gòu)高寬比約為6.6，核心筒高寬比約為17.7。標(biāo)準(zhǔn)層建筑平面如圖1 所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層平面布置

本工程抗震設(shè)防分類均為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類（丙類），抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，設(shè)計基本地震加速度為0.1g，設(shè)計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類。場地粗糙度類別取C 類，特征周期為0.35s[1]。設(shè)計基本風(fēng)壓取50 年一遇風(fēng)壓0.65kN/m2，舒適度驗算風(fēng)壓0.35kN/m2。結(jié)構(gòu)Y向主要控制因素為風(fēng)荷載作用。

恒活荷載均按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）[1]及業(yè)主要求，低區(qū)公寓部分恒載取2.0kN/m2，活載取2.0kN/m2；中高區(qū)loft 區(qū)域恒載取5.0kN/m2，活載取4.0kN/m2；避難層恒載2.0kN/m2，活載取4.0kN/m2（人員）或7.0kN/m2（設(shè)備機(jī)房）等。

2 結(jié)構(gòu)選型

根據(jù)規(guī)范[2-3]B 級高度鋼筋混凝土高層建筑的最大適用高度，框架-核心筒結(jié)構(gòu)為180m，部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)為120m，該項目主要考慮框架核心筒方案及剪力墻方案。塔樓因?qū)ψ呃葍舾咭筝^高，擬對框架核心筒結(jié)構(gòu)考慮在3.1m 平層處走廊加柱，商業(yè)五層處轉(zhuǎn)換走廊柱及左右兩端剪力墻；對于剪力墻結(jié)構(gòu)暫不考慮轉(zhuǎn)換?？蛲步Y(jié)構(gòu)方案主要截面如表1 所示，剪力墻結(jié)構(gòu)方案主要截面如表2 所示?？蛲步Y(jié)構(gòu)框架柱及轉(zhuǎn)換柱均為型鋼混凝土柱，轉(zhuǎn)換梁為型鋼混凝土梁，3.1m 平層處走廊最低梁高450mm；剪力墻結(jié)構(gòu)走廊處梁高500mm。墻柱混凝土等級均由C60 逐級降低至C40，梁板混凝土等級為C35。

表1 框筒結(jié)構(gòu)方案主要截面 單位：mm

表2 剪力墻結(jié)構(gòu)方案主要截面

3 計算結(jié)果

本次研究主要采用YJK 程序?qū)煞N結(jié)構(gòu)形式分別進(jìn)行了多遇地震作用及風(fēng)荷載作用下的分析計算，并對計算結(jié)果進(jìn)行研究分析，主要計算結(jié)果如表3 所示。

表3 計算結(jié)果

根據(jù)規(guī)范的要求，兩個方案的位移角限值分別為1/582 及1/648。經(jīng)過計算，框筒結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)在地震作用和風(fēng)荷載作用下的位移角均滿足規(guī)范要求。

對比兩種結(jié)構(gòu)布置，剪力墻在房間處通長設(shè)置，標(biāo)準(zhǔn)層室內(nèi)可自由布置，但避難層空間無法貫通形成空中花園，存在設(shè)備布置受限等問題，且會影響商業(yè)空間布局，需要對外圍剪力墻進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換柱位可參考走廊加柱平面，轉(zhuǎn)換梁高約3.2m；框筒結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層室內(nèi)可自由布置，底部商業(yè)分隔可以自由靈活布置。

綜合各方面因素考慮及業(yè)主要求，擬選擇采用框筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行深化設(shè)計。

4 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)分析

高層建筑設(shè)計轉(zhuǎn)換層時對整體結(jié)構(gòu)抗震性能會產(chǎn)生一定影響，因此需要重點思考結(jié)構(gòu)抗震性，主要包括以下要點。

（1）轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)抗震性設(shè)計主要依靠落地剪力墻承重力量傳導(dǎo)性原理，由于支撐框架傾覆力矩增加不明顯，會導(dǎo)致轉(zhuǎn)換層位置薄弱，影響整體安全性。在設(shè)計時要思考轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)垂直方向承載力情況進(jìn)行計算[4]。

（2）針對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題，還需進(jìn)行水平方向和豎向方向應(yīng)力的對比分析。

針對梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比，根據(jù)應(yīng)力云圖進(jìn)行分析，在水平和豎向荷載的雙重影響下，兩類轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的水平向應(yīng)力呈現(xiàn)為斜向分布。兩種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的壓應(yīng)力區(qū)為右支柱和左墻肢斜向區(qū)域，并向兩邊逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力。從支撐作用角度來看，斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力區(qū)域發(fā)生轉(zhuǎn)移，此時墻肢洞口部分凈跨區(qū)段形成的斜向壓力更加集中，能夠?qū)崿F(xiàn)集中應(yīng)力，而梁、框支柱則存在明顯的受壓力變小情況。從斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況來看，凈跨區(qū)段和應(yīng)力效果均比較好，尤其在轉(zhuǎn)換梁與斜柱的銜接部位。

結(jié)合本工程實際情況，因考慮到商業(yè)部分的使用功能，在商業(yè)五層處設(shè)置轉(zhuǎn)換層轉(zhuǎn)換走廊柱。傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換梁梁高較高，試算截面大致為1500mm×3200mm，對室內(nèi)凈高有較大影響。而對于斜柱轉(zhuǎn)換，由于斜柱所形成的支撐效果，既能提升荷載抗性，同時又能縮短轉(zhuǎn)換梁跨度。在整體結(jié)構(gòu)中的主要支承結(jié)構(gòu)為中框支柱，其中斜柱轉(zhuǎn)能夠減弱結(jié)構(gòu)變形能力，降低延性，改善受力性能。故本項目擬考慮采用斜柱轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換層（五層）板厚150mm，梁板混凝土等級選用C40。轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)平面布置如圖2 所示，轉(zhuǎn)換層斜柱布置節(jié)點構(gòu)造如圖3 所示。

圖2 轉(zhuǎn)換層平面布置

圖3 轉(zhuǎn)換層斜柱布置節(jié)點構(gòu)造

對斜柱轉(zhuǎn)換構(gòu)件進(jìn)行承載力分析，以圖2 中框出一跨為例，各工況組合中斜柱底端軸力如表4 所示，另外與考慮轉(zhuǎn)換層及上下兩層樓板為零板厚時斜柱及拉梁的內(nèi)力情況進(jìn)行對比。對比發(fā)現(xiàn)，考慮樓板作用時軸力較大。另外，不同工況，恒載作用下斜柱軸力較大。

表4 斜柱底端軸力

現(xiàn)選取恒載作用下與斜柱相交拉梁軸力及與斜柱相連的剪力墻的X 向剪力，如表5 所示?？芍獌烧咧团c總體坐標(biāo)下斜柱產(chǎn)生的X 向分力基本可以平衡。

表5 拉梁軸力及剪力墻X 向剪力

另外，對轉(zhuǎn)換層樓板進(jìn)行應(yīng)力分析。在恒載作用下轉(zhuǎn)換層，大部分區(qū)域樓板正應(yīng)力小于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk（C40 混凝土為2.39N/mm2），局部如剪力墻邊、框支柱邊存在應(yīng)力集中的情況，但范圍很小。因此可認(rèn)為在恒載作用下，樓板面內(nèi)不會產(chǎn)生貫通性的裂縫，能有效傳遞水平力。后續(xù)轉(zhuǎn)換層采用加強(qiáng)措施，轉(zhuǎn)換層鋼筋雙層雙向拉通，配筋率不小于0.30%，另外對應(yīng)力集中的部位，根據(jù)應(yīng)力情況對該區(qū)域配筋進(jìn)一步加強(qiáng)。

針對框支轉(zhuǎn)換層的抗震性思考，需要根據(jù)應(yīng)力需求加大局部位置的鋼筋和箍筋，保證每層框支柱所承受的地震剪力結(jié)構(gòu)按照承載力要求調(diào)整，對于“細(xì)腰”組合平面采用抗震加強(qiáng)措施，在平面凹口處設(shè)置拉梁，對應(yīng)樓板設(shè)置暗梁，形成加強(qiáng)帶保證結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。

5 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計注意問題

5.1 結(jié)合建筑實際

在設(shè)計轉(zhuǎn)換層時應(yīng)保證與建筑環(huán)境相適應(yīng)，包括地質(zhì)條件、建筑層高、整體結(jié)構(gòu)、材料等各項因素。在轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)選型方面應(yīng)當(dāng)與建筑外觀相結(jié)合，滿足整體視覺需求。務(wù)必服從建筑功能性，在施工中一般會將設(shè)備層兼做轉(zhuǎn)換層，要求具備足夠空間保證設(shè)備出入，若洞口尺寸在開孔梁允許范圍外，可應(yīng)用其他結(jié)構(gòu)代替梁式轉(zhuǎn)換，如斜柱轉(zhuǎn)換層、空腹桁架等。在工程設(shè)計中受到部分建筑外觀要求或使用要求的影響，在設(shè)計中強(qiáng)調(diào)柱網(wǎng)上疏下密，會出現(xiàn)一定承載差異，造成壓縮位移差，并在建筑結(jié)構(gòu)中下部結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生明顯次應(yīng)力。針對這類情況，需根據(jù)建筑功能性選擇合適轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。

5.2 合理選擇剛度

出于對轉(zhuǎn)換層設(shè)計安全性、穩(wěn)定性的考慮，需要重點關(guān)注轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)剛度，是否在合理值范圍內(nèi)。若剛度過大，一旦出現(xiàn)地震反應(yīng)或豎向剛度突然增加情況，會直接影響轉(zhuǎn)換層上下的受力狀態(tài)，不利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。此外，剛度過大還會增大材料用量，增加經(jīng)濟(jì)成本。若轉(zhuǎn)換層剛度過小，則會導(dǎo)致上部框支部分豎向構(gòu)件與結(jié)構(gòu)中的其他豎向構(gòu)件出現(xiàn)沉降差，從而產(chǎn)生明顯次應(yīng)力，導(dǎo)致配筋增加。

此外，針對轉(zhuǎn)換層來說，設(shè)計較為復(fù)雜的部分在下部主體結(jié)構(gòu)中，不可避免地存在豎向剛度突變。為保證下層結(jié)構(gòu)總剪切剛度符合建筑結(jié)構(gòu)需求，應(yīng)加強(qiáng)抗震設(shè)計，根據(jù)建筑實際情況適當(dāng)加大下層結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件截面尺寸，或提高混凝土強(qiáng)度等級。例如斜柱轉(zhuǎn)換層具有較強(qiáng)的水平荷載，能夠發(fā)揮混凝土受壓性能，適合應(yīng)用在高層建筑中。在設(shè)計時可根據(jù)建筑平面情況布設(shè)拉梁或圈梁，確保縮短路徑提升平衡性，降低上下層水平力[5]。

5.3 明確設(shè)計原則優(yōu)化結(jié)構(gòu)

布置轉(zhuǎn)換層時應(yīng)保證框架核心筒結(jié)構(gòu)中上下貫通，根據(jù)建筑需求滿足上下主體總剪切剛度比值，盡可能減少豎向構(gòu)件。選擇傳力路徑明顯的轉(zhuǎn)換層形式，便于分析構(gòu)件設(shè)計安全性和規(guī)范性。合理運用計算機(jī)模型展示建筑結(jié)構(gòu)的三維空間，對結(jié)構(gòu)布局進(jìn)行補充計算，充分思考抗震性需求，強(qiáng)化下部結(jié)構(gòu)，避免存在較大沉降差。

6 結(jié)語

將建筑風(fēng)格與實際結(jié)構(gòu)相融合，并保證抗壓性、穩(wěn)定性等需求，是每個建筑設(shè)計者需要思考的問題。綜合來看，本次研究結(jié)合實際工程案例思考高層建筑結(jié)構(gòu)選型及斜柱轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計，突出抗震性方面的研究，在設(shè)計中充分利用概念設(shè)計方法，從分析和研究結(jié)構(gòu)整體性能入手，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析。在提升斜柱建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計水平時需要進(jìn)一步完善結(jié)構(gòu)設(shè)計，明確設(shè)計原理，利用相關(guān)軟件、硬件工具滿足預(yù)期效果，為城市化進(jìn)程的推進(jìn)做出貢獻(xiàn)。