带转换层建筑结构设计措施研究

崔峰

浙江天和建筑设计有限公司， 313000

摘要：随着我国高层建筑的迅速发展，以及对建筑结构多功能的要求，带转换高层结构的应用越来越多，且转换层的设置位置也越来越高。因此，本文分析了带转换层高层建筑结构非抗震与六度设防抗震设计的区别，为广大工程设计人员加深理解, 针对不同情况采取不同的设计措施以达到经济、安全的目的提供参考。

关键词：带转换层 高层建筑 抗震设计

六度抗震地区与非抗震地区在带转换层高层建筑结构设计上的存在区别，不同区域的建筑结构设计，根据抗震等级不同也存在区别，对不同地区进行整体结构概念设计，应避免在实际设计工程中造成不必要的浪费或者安全度偏大，以达到节省建筑工程造价的目的。

一、带转换层结构的设计原则

带转换层建筑结构是一种受力复杂、不利于抗震的结构体系，在结构总体设计时，特别是在抗震设防地区，应遵循的如下原则：

首先，传力直接，避免多次转换。布置转换层上下主体竖向结构时，要尽量使水平转换结构传力直接，通过结构的合理布置，使不落地的剪力墙通过转换托梁直接传给竖向承重构件，尽可能的避免转换次梁及水平多级转换，实现传力路劲的最短化。

其次，强化下部、弱化上部。要保证底部大空间有适宜的刚度、强度、延性和抗震能力，要有意识的强化转换层下部主体结构刚度，弱化转换层上部主体结构的刚度，使得转换层上下部主体结构的刚度及变形特征尽量接近，以避免出现薄弱层。

再次，计算全面准确。必须将转换结构作为整体结构中一个重要组成部分，采用符合实际受力变形状态的正确计算模型进行三维空间整体结构计算分析。采用有限元方法对转换结构进行局部补充计算时，转换结构以上至少取2层结构进入局部计算模型，同时应计及转换层及所有楼盖平面内刚度，计及实际结构三维空间盒子效应，采用比较符合实际边界条件的正确计算模型。

二、建筑结构平面布置

关于建筑物的结构平面布置，仅在《高层建筑混凝土结构技术规程》表4.3. 3中对建筑物在考虑地震作用时的平面长宽比以及局部凹凸进行明确规定；并且在4.3.5条中对建筑的位移比和周期比进行严格的限制。非抗震设计时，由于对周期比没有严格的限制，故在设计转换层以上的小开间住宅部分的竖向构件时，可以只按照竖向构件的承载力进行设计；作抗震设计时，为了使周期比满足规范要求的限值，必须对建筑物周围的竖向构件进行加强处理，这就人为地增大了转换层上部的建筑物结构刚度，也增加了竖向构件的数量或者截面，同时也会引起转换层下部刚度相应增大。

三、建筑结构竖向布置

考虑地震作用下，仅在《高层建筑混凝土结构技术规程》中4.4.2和4.4.3条对建筑物的侧向刚度进行限制，保证建筑物的侧向刚度的连续。4.4.5条对建筑物的竖向收进和外挑进行限制。

（1）底部大空间为1层时，可近似采用转换层上、下层结构等效剪切刚度比γ表示转换层上、下层结构刚度的变化，γ宜接近1，非抗震设计时γ 不应大于3，抗震设计时γ不应大于2。

（2）底部大空间层数大于1层时，其转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比γe宜接近1，非抗震设计时γe不应大于2，抗震设计时γe不应大于1.3。由于转换层结构上部建筑多为住宅，根据建筑住宅使用功能的要求，房间分隔较小且对结构梁高进行限制，故造成上部住宅部分的竖向构件柱子或短肢剪力墙数量较多，梁较密。并且转换层上部住宅部分层高一般比下部大开间的商场部分小得多。这些都是造成转换层上部结构刚度远远大于下部结构刚度的客观原因。为了增加下部结构刚度，只能在适当位置处增加竖向构件或原竖向构件的截面尺寸。上、下部刚度越要求接近，则增加的下部竖向构件越多或者截面越大。

因此，高层建筑转换层结构设计时一定要注意按照转换层所在位置的三种不同情况，分别采用三种不同的控制方法，特别要注意的是当转换层在3 层及3 层以上时，应采用同时满足等效剪切刚度比和楼层侧向刚度比的两个控制条件，才能满足安全的要求。

四、结构构件承载力设计的区别

《高层建筑混凝土结构技术规程》4.7.1 条中规定：无地震作用时，构件承载力设计值大于等于结构作用效应组合的设计值与结构重要性系数的乘值（结构重要性系数的取值在1.～1.1之间）；有地震作用组合时，构件承载力设计值大于等于结构作用效应组合的设计值与结构构件承载力抗震调整系数的乘值（结构构件承载力抗震调整系数的取值在1.0～1.33之间）。

以上分析均针对非抗震设计和抗震设计在结构概念设计上的区别，属于确定建筑方案前需要考虑的结构体系对建筑物的总体影响，是非抗震设计和抗震设计在性能设计上的根本区别，需要在建筑方案确定前进行经济综合性比较分析。整体结构概念设计是实现非抗震结构性能经济性设计的根本方向。

五、具体建筑构件单项比较分析

1.框支梁

梁上、下部纵向钢筋的最小配筋率，非抗震设计时不应小于0.30%；抗震设计时，特一、一和二级不应小于0.60%、0.50%和0.40%；加密区箍筋最小面积含箍率在非抗震设计时不应小于0.9ft/f yv；抗震设计时，特一、一和二级不应小于1.3ft/fyv、1.2ft/fyv和1.1ft/fyv。

梁截面高度在抗震设计时不应小于计算跨度的1/ 6，非抗震设计时不应小于计算跨度的1/ 8；框支梁截面组合的最大剪力设计值应符合下列要求：

无地震作用组合时：V≤0.2β cfcbh0；

有地震作用组合时：V≤0. 15β cfcbh0/γRE。

2.框支柱

框支柱截面组合的最大剪力设计值应符合下列要求：无地震作用组合时，V≤0.2β cfcbh0；有地震作用组合时，V≤0.15β cfcbh0/γRE。

柱截面宽度，非抗震设计时不宜小于400mm，抗震设计时不应小于450mm；柱截面高度，非抗震设计时不宜小于框支梁跨度的1/15，抗震设计时不宜小于框支梁跨度的1/12；

非抗震设计时，框支柱宜采用复合螺旋箍或井字复合箍，箍筋体积配箍率不宜小于0.8%，箍筋直径不宜小于10mm，箍筋间距不宜大于150mm。

3.剪力墙

部分框支剪力墙结构，剪力墙底部应加强部位墙体的水平和竖向分布钢筋最小配筋率，抗震设计时不应小于0.3%，非抗震设计时不应小于0.25%；

错层处平面外受力的剪力墙，其截面厚度，非抗震设计时不应小于200mm，抗震设计时不应小于250mm，并均应设置与之垂直的墙肢或扶壁柱；抗震等级应提高一级采用。错层处剪力墙的混凝土强度等级不应低于C30，水平和竖向分布钢筋的配筋率，非抗震设计时不应小于0.3%，抗震设计时不应小于0.5%。

4.一般框架梁、柱、抗震墙

根据对国内外规范最小配筋率取值情况的研究成果，可知各国设计规范梁类构件受拉钢筋最小配筋率取值存在两种体系。

一种是对抗震及非抗震情况取用相同的最小配筋率，如美国、新西兰规范。另一种是对抗震及非抗震情况分别取用大小不同的最小配筋率，如欧共体混凝土结构设计规范EC2 和抗震设计规范EC8。后者非抗震最小配筋率的取值水准比第一种取值体系明显偏低。结合我国现行规范分析如下：

(1)《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）第9.5.1 条规定在非抗震的情况下，钢筋混凝土结构构件中纵向受力钢筋的最小配筋百分率。具体规定如下：①受压构件。全部纵向钢筋最小配筋百分率0. 6%；一侧纵向钢筋最小配筋百分率0.2%。②受弯构件、偏心受拉、轴心受拉构件一侧的受拉钢筋最小配筋百分率0.2和45ft/fy中的较大值。

(2)《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）第6.3.3 条规定在考虑抗震的情况下，梁端截面的底面和顶面纵向钢筋配筋量的比值，除按计算确定外，一级不应小于0.5，二、三级不应小于0.3。《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）第10.2.6 条规定当梁端实际受到部分约束但按简支计算时，应在支座区上部设置纵向构造钢筋，其截面面积不应小于梁跨中下部纵向受力钢筋计算所需截面面积的0. 25。故在非抗震的情况下部分符合该情况的梁局部支座负筋可比考虑抗震时低25%左右。

(3)《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）第6.3.8.1 条规定在考虑抗震的情况下，根据抗震等级的不同，中柱和边柱截面纵向钢筋的最小总配筋率由0. 6%逐步递增到1.0%；角柱、框支柱截面纵向钢筋的最小总配筋率由0.8%逐步递增到1.2%。故在非抗震的情况下，当柱截面配筋均为构造配筋时，柱截面纵向钢筋仅为考虑抗震时的50%～75%左右。

(4)《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）第6.4.3 条规定在考虑抗震的情况下，一、二、三级抗震墙的竖向和横向分布钢筋最小配筋率不应小于0.25%；四级抗震墙不应小于0.20%。故当剪力墙竖向和横向配筋均为构造配筋时，在非抗震的情况下的剪力墙配筋与四级情况下的剪力墙配筋相同，但仅为考虑地震作用时一、二、三级剪力墙配筋的80%左右。

六、结束语

综上分析可知，抗震设计与非抗震设计在具体结构构件梁、柱及剪力墙的构造配筋上均存在一定区别，结构设计时应进行区分。在安全可靠的前提下，最大限度地利用规范允许的条件，对结构构件进行精心设计，可以避免不必要的浪费。