收稿日期:2002-04-15基金项目:南昌大学基础理论基金项目作者简介:熊进刚,男,1970年生,博士. 文章编号:1006-0456(2002)04-0015-04带结构转换层的高层建筑结构设计熊进刚,李艳(南昌大学土木工程学院,江西南昌330029) 摘要:本文简要介绍了高层建筑中结构转换层的功能、主要型式、特点及工程应用,并结合厦门市某带梁式转换层的高层建筑,介绍了其结构转换层的方案选择、结构布置、结构整体分析与计算、转换梁的设计及有关构造要求,供设计和研究人员参考.关键词:结构转换层;转换梁;高层建筑中图法分类号:TU 973+.12 文献标识码:A1　概述近二、三十年来,国内外高层建筑发展迅速,上部是住宅、旅馆,中部为办公用房,下部用作商场、餐馆等,多功能及综合性用途的高层建筑已经愈来愈多.楼层建筑功能的改变,往往需要改变竖向结构型式或改变柱网、轴线,甚至两者都改变.这样,在竖向结构体系发生变化的楼层就要设置转换层(transfer floor ),转换层也称为过渡层.2　结构转换层的功能和主要型式2.1　结构转换层的功能从结构功能的角度看,转换层所实现的结构转换可以归纳为以下三类.1)结构型式的转换.这种功能被广泛应用于框—剪结构和剪力墙结构,结构转换层将上部剪力墙转换为下部框架,如图1所示,给下部楼层创造一个较大的内部空间.2)柱网、轴线的转换.转换层的上、下部结构型式没有改变,但通过结构转换层,使下层形成大柱网,如图2所示,以满足外框筒的下层形成较大入口和较大空间的需要.图1　结构型式的转换 图2　柱网、轴线的转换 图3　梁式转换层3)结构型式和轴线布置同时转换.上部楼层剪力墙通过结构转换层改变为框架,同时,下部楼层柱网轴线与上部楼层的轴线错开,形成上、下部结构不对齐的布置.2.2　结构转换层的主要型式第24卷第4期2002年12月南昌大学学报(工科版)Journal of Nanchang University (Engineering &Technology )Vol .24No .4Dec .20021)梁式转换层.梁式转换层的设计、施工简单,受力明确,如图3所示.当需要纵横向同时转换时,可采用双向梁的布置.目前,国内外多、高层建筑结构转换层中采用梁式转换层的方案最多,例如北京南洋饭店、上海天鹅宾馆、深圳航空大厦、四川成都岷山饭店[1].2)板式转换层.当上、下层柱网轴线错开较多,难以用梁直接承托时,可以做成厚板,形成板式转换层,如图4所示.板式转换层的下层柱可以灵活布置,无须与上部结构对齐,但板式转换层本身的自重大、材料用量多,且高位厚板转换层不宜用于抗震设防烈度6°以上的高层建筑[2].采用板式转换层的典型实际工程有深圳华采花园(板厚2.2m ,承托29层)、深圳福田彩虹大厦(板厚2.4m ,承托31层)、南京新世纪广扬一期工程[3](板厚2.0m ,承托30层).图4　板式转换层 图5　箱形转换层 图6　桁架式转换层3)箱形转换层.以上、下两层楼板作为上、下翼缘,并在其间设置若干单向或双向腹板(竖隔板)就形成箱形转换层,如图5所示.箱形转换层可用于上、下层结构型式转换、柱网尺寸扩大及轴线错位等.典型实际工程有北京艺苑假日皇冠饭店[1],其箱形转换层跨度17.95mm ,宽22.1m ,高度4.05m ,上、下板厚500mm ,侧板厚400mm ,中肋厚600mm .目前箱形转换层用于房屋结构还不多,但在铁路工程中较常见.4)桁架式转换层.桁架式转换层传力明确,伟力途径清楚,但构造和施工较复杂,如图6所示.典型实际工程有北京香格里拉饭店、上海龙门宾馆[1]、南京新世纪广场(二期工程)[4]等.5)其它型式的转换层.如IBM 大厦采用了拱式转换层[1],沈阳华利广场采用了斜柱式转换层[5].3　工程设计实例3.1　工程概况厦门市某高层建筑,地下1层,地上22层,总建筑面积25840m 2.1至4层为商业用房,1层层高5.0m ,2至4层层高4.0m ,采用框架—筒体结构.5至20层为住宅,层高3.0m ,采用短肢剪力墙—筒体结构.21、22层层高3.0m ,分别为电梯机房和屋面水箱.第4、5层之间不仅结构类型发生改变,轴线布置也有所变化,因此在4、5之间设置转换层,建筑总剖面图如图7所示.3.2　转换层方案转换层的结构形式可以采用梁式、桁架式、板式、箱形等,这些转换层都可以形成大空间,实现结构类型和轴线的转变.其中梁式转换层受力明确,设计和施工相对简单,应用最为广泛;同时,在转换梁受力较小部位可以开设合适的洞口,容易满足建筑功能和设备管线布置的要求.因此,本工程采用梁式转换层.转换层的层高2.5m ,转换梁上、下端与楼板相连,上层楼板厚200mm ,下层楼板厚300mm .转换梁托上部短肢剪力墙.转换层结构混凝土强度等级为C45.3.3　结构整体计算结构整体计算采用TBSA5.0进行.转换梁本身是杆件,可直接按梁单元参加到结构整体计算中,梁的轴线定在转换层上层楼板处[1].·16·南昌大学学报(工科版)2002年 为防止结构沿竖向刚度变化过于悬殊而形成薄弱层,设计中应考虑使上、下层刚度比γ≤2:图7　建筑总剖面图γ=G i +1A i +1h i G i A i h i +1(1)式中:G i ,G i +1是第i ,i +1层混凝土剪变模量,A i ,A i +1是第i ,i +1层折算抗剪截面面积,h i ,h i +1为第i ,i +1层的层高.转换层上层短肢剪力墙厚度为:四周350mm ,内部250mm ,混凝土强度等级为C45.转换层下层主要剪力墙厚度加大为500mm ,400mm ,柱子截面尺寸取1100mm ×1100mm ,混凝土强度等级为C45.按式(1)计算得两主轴x ,y 方向的γ值分别为1.73和1.51.TBSA 计算结果表明,结构前三个自振周期为:1.537s ,0.449s ,0.224;y 方向,1.717s ,0.515s ,0.275s ;层间最大侧移和顶点位移均满足高层规程[6]的要求.主要楼层结构平面布置如图8所示.图8　结构平面布置图3.4　转换梁的设计转换梁的跨度为8.05-9.0m ,截面高度2.5m ,跨高比3.2-3.6,多跨转换,属连续短梁.转换梁截面尺寸一般由剪压比控制确定[7],其承载力一般也由斜截面受剪承载力控制.混凝土结构设计规范[8]没有明确给出短梁的斜截面受剪承载力计算公式.根据文献[9]的试验研究,建议:1)转换梁正截面受弯承载务仍按普通梁计算.2)转换梁斜截面受剪承载力主要由混凝土和箍筋承担,水平腹筋对斜截面受剪承载力有一定贡献,约占11%.因此,可不考虑水平腹筋的作用,将其作为安全储备.斜截面受剪承载力按式(2)计算:V u =1.581+λ2f t bh 0+0.47λf yv A sv h 0s v (2)式中,λ是计算剪跨比,f t 和f yv 分别是混凝土和箍筋的抗拉强度设计值,A sv 为配置在同一截面内箍筋各肢的全部截面面积,s v 是箍筋的间距,b ,h 0分别是转换梁截面宽度、有效高度.3)转换梁的截面尺寸应满足式(3)的要求:V max ≤0.17f c bh 0/γRE (3)式中,V max 是转换梁支座截面最大剪力组合设计值,γRE 是承载力抗震调整系数,f c 是混凝土轴心抗压强度设计值.另外,考虑到转换梁在结构中的重要性,在正常使用阶段,一般不允许出现斜裂缝,建议在荷载短期效应组合下,应满足:V s ≤0.5f tk bh (4)其中,V s 为按荷载短期效应组合计算的最大剪力值.本工程转换梁截面尺寸取b =900mm ,h =·17·第4期熊进刚等:带结构转换层的高层建筑结构设计2500m m .转换梁截面尺寸一般较大,沿梁高还应配置适量的水平腹筋,一方面可以抑制斜裂缝的开展,抵抗温度应力和混凝土收缩应力,另一方面也可以提供一定的受剪、受弯承载力,作为构件的安全储备.参考文献:[1]　中国建筑科学研究院.高层建筑转换层结构设计及工程实例[R ].19093.[2]　中华人民共和国行业标准.建筑抗震设计规范(GB50011-2001)[S ].北京:中国建筑工业出版社,2001.[3]　张家华.高层建筑预应力混凝土板式转换层结构性能及设计研究(博士学位论文)[D ].南京:东南大学,1998.[4]　唐兴荣.多高层建筑中预应力混凝土桁架转换层结构的试验研究和理论分析(博士学位论文)[D ].南京:东南大学,1998.[5]　李豪邦.高层建筑结构转换层的新型式———斜柱转换[J 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Engineering ,Nanchang University ,Nanchang 330029,China )A bstract :The paper analyses shearing characteristic and mechanism of R .C special -shaped column frame 's exte -rior joint on top floor under negative moment .By using the theory of strut -tie ,a formula to calculate the shear capacity of the joint is put forward .It is found that the theoretical calculation agreed well with the test results .At the end of the paper ,it is pointed out that the rate of the steel under negative moment should be controlled and the relative arc radius should not be too small ,in order to prevent inclined c ompress of this kind of the joints and crack partly of the concrete below the main arc .Key Words :　frame ;exterior joint ;strut -tie mechanism ;shearing strength ·18·南昌大学学报(工科版)2002年。