对转换结构的认识与把握

对转换结构的认识与把握该帖被浏览了652次|回复了3次 在多高层建筑结构设计中经常遇到转换结构问题。结构的转换分为对上部剪力墙的转换（一般称其为框支转换）和对上部框架柱的转换（一般称其为框架转换）。在框支转换中，转换不仅改变了上部剪力墙对竖向荷载的传力路径，而且将上部抗侧刚度很大的剪力墙转换为抗侧刚度相对很小的框支柱，转换层上下的侧向刚度比很大，形成结构软弱层和薄弱层，引起地震剪力的剧烈变化，对结构的抗震极为不利，应采取严格而有效的抗震措施；而在框架转换中，转换虽然也改变了上部框架柱对竖向荷载的传力路径，但转换层上部和下部的框架刚度变化不明显，属于一般托换，对结构的抗震能力影响不大，其抗震措施可比框支转换适当降低。 由于高规1在第10.2节中没有明确区分框支转换和框架转换，加大了对转换结构设计的难度。因此，结合相关规定，明确转换结构的概念，区分并把握好转换结构类型是做好转换结构设计工作的重要前提。一、对转换结构的认识 1、高规第10.2.1条规定，“在高层建筑的底部，当上部楼层部分竖向构件（剪力墙、框架柱）不能直接连续贯通落地时，应设置结构转换层”。理解上述规定时应注意规范的下列关键用词：1）“高层建筑的底部”规范明确了高规所涉及转换的位置，就是在高层建筑的底部。对高层建筑的底部可从以下两方面理解： （1）对剪力墙转换时，可将高规第10.2.2条限定的底部大空间层数确定为其底部的范围（见表1），其中，6度区底部大空间的层数可按不超过6层控制。当底部大空间层数超过表1的数值时，应报请进行抗震设防超限审查。 （2）对框架柱转换时，由于转换层上下不存在明显的刚度突变问题，因此，对一般框架转换可不限制转换层的位置。可将地面以上1/3房屋高度范围内确定为建筑的底部，此范围内的框架转换应采取适当加强措施。2）“上部楼层部分竖向构件（剪力墙、框架柱）”明确了只适用于“上部楼层部分竖向构件”的转换，这也就是我们经常要控制落地剪力墙数量（一般情况下，可控制落地剪力墙的面积不小于全部剪力墙面积的50%）的原因；同时也明确了结构的转换不仅适用于建筑底部的剪力墙，同样也适用于框架柱。当转换构件承托的上部楼层竖向构件为剪力墙时，上部剪力墙被称作为“框支剪力墙”，相应的转换被称作为框支转换；当转换构件承托的上部楼层竖向构件为框架柱时，相应的转换被称作为框架转换。规范对剪力墙的转换有严格的位置（层数）要求，而对框架转换没有明确的层数限制要求。根据转换位置和转换区域的大小，框支转换又可分为一般框支转换和局部框支转换。2、应避免对边柱、边剪力墙的转换，不应对角柱、角部剪力墙进行转换。二、对局部框支转换的把握和一般框支转换不同，局部框支转换的框支剪力墙数量少，且楼面结构对转换层有较强的约束，此类转换，一般不会产生明显的结构薄弱层效应。广东省2和江苏省3规定：当框架-剪力墙或筒体结构仅少量剪力墙不连续，需转换的剪力墙面积不大于剪力墙总面积的8%时，可仅加大水平力转换路径范围内的板厚、加强此部分的板配筋（图1），并提高转换结构的抗震等级。框支框架的抗震等级应提高一级，特一级时不再提高。房屋的最大适用高度可按一般框架-剪力墙或筒体结构采用（注意：此时房屋的最大适用高度的限值可不考虑结构的框支问题）。注意：上述适用于“框架-剪力墙或筒体结构”的规定同样适用于剪力墙结构，这是因为，相对于框架-剪力墙或筒体结构中的剪力墙，剪力墙结构中的剪力墙由于其分布更加均匀，各单片剪力墙的重要程度要低于“框架-剪力墙或筒体结构”中的剪力墙。还应注意：转换的平面位置也是影响局部框支转换的重要因素，对位于结构边缘部位的局部框支转换（图2），除满足上述对局部框支转换的一般要求外，还应适当加强与之相关部位的构造措施，确保转换的合理有效。图1 一般的局部框支转换 图2 特殊的局部框支转换三、对框架柱的转换的把握 规范对框架柱的转换没有明确的层数限制，结构设计时只需要满足高规对框架柱转换的要求，不必执行高规对部分框支剪力墙结构的设计要求。 广东省2和江苏省3还规定：对建筑物上部（注意：此处与高规第10.2.1条的“高层建筑结构的底部”相对应）楼层仅部分柱不连续时，可仅加强转换部位楼盖，但转换托梁的承载力安全储备应适当提高，内力增大系数不宜小于1.1，托梁的构造按实际的受力情况确定。 可根据工程的具体情况，将框架转换分为一般的框架转换和重要的框架转换两部分，当为一般结构、被转换的上部柱数量不多、其承受的竖向荷载较小、转换梁的跨度较小、周围楼板对转换构件约束较好、转换层在建筑底部以上区域时，可确定其为一般的框架转换（见图3），参考执行广东和江苏的规定；当为重要结构、被转换的上部柱数量较多、其承受的竖向荷载较大、转换梁的跨度较大、周围楼板对转换构件约束较差、转换层在建筑底部区域、或当被转换的框架柱非常重要（被转换的框架柱失效将导致结构的全部或局部倒塌）时，可确定为重要的框架转换（见图4），应参照建筑底部范围的框支转换而采取适当的加强措施，必要时应按性能设计要求设计转换构件。图3 一般的框架转换 图4 重要的框架转换 高规第10.2.2条规定：“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，其转换位置可适当提高”。需要说明的是，规范的上述规定有其特殊的适用前提，由于在框架-核心筒结构和外筒为密柱框架的筒中筒结构中，底部大空间一般不涉及对核心筒剪力墙的转换，主要是对外框架及外筒密柱的转换，此类转换从本质上讲属于框架转换的范畴，其侧向刚度突变比部分框支剪力墙结构有很大改善，因此，转换层位置可比表1适当提高。当实际工程中确需对核心筒或内筒剪力墙的转换时，仍然需要按表1控制转换位置，并严格执行规范对框支转换的设计规定。 四、小结 1、对框支转换应按高规的相关要求采取严格的抗震措施，必要时，对框支转换进行抗震性能设计。同时也应区分局部框支转换和非局部框支转换的关系。对局部框支转换可参考广东和江苏规定的要求，仅对相关部位采取必要的结构措施；对特殊的局部框支转换，应适当加强抗震措施； 2、应分清框支转换和框架转换，区别一般的框架转换和重要的框架转换。对一般的框架转换可参考广东和江苏规定的要求，仅对转换部位楼盖和转换托梁采取必要的加强措施。对重要的框架转换，应根据工程的具体情况，采取高于一般框架转换（而不高于框支转换）的抗震措施，必要时，对重要的框架转换进行抗震性能设计。 3、转换结构分类及设计对策汇总见表2转换结构的分类及设计对策 表2转换结构分类转换结构的特征设计对策说明一般框支转换50% AWAWC8%AW按高规对框支转换的要求一般的局部框支转换AWC8%AW且楼板对转换构件约束较强参考广东、江苏规定，仅对相关部位采取必要的结构措施框支转换局部框支转换特殊的局部框支转换AWC8%AW但楼板对转换构件约束较差参考广东、江苏规定，采取比局部框支转换更有效的措施AWC为需转换的剪力墙面积；AW为剪力墙总面积；一般的框架转换 一般结构、被转换的上部柱数量不多、其承受的竖向荷载较小、转换梁的跨度较小、周围楼板对转换构件约束较好、转换层在建筑底部以上区域参考广东、江苏规定，仅对相关部位采取必要的结构措施框架转换重要的框架转换重要结构、被转换的上部柱数量较多、其承受的竖向荷载较大、转换梁的跨度较大、周围楼板对转换构件约束较差、转换层在建筑底部区域、被转换的框架柱非常重要参照框支转换采取适当的加强措施参考文献1 高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ 3-2002）（S）中国建筑工业出版社，20022 广东省实施高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ 3-2002）补充规定（DBJ/T15-46-2005），中国建筑工业出版社，20053 江苏省房屋建筑工程抗震设防审查细则，中国建筑工业出版社，20074 徐培福主编，复杂高层建筑结构设计，中国建筑工业出版社，2005摘要：本文介绍了高层建筑的发展特点，并且提出目前高层建筑的发展趋势，既集吃、住、办公、娱乐、购物、停车为一体的综合建筑。由于空间功能的复杂化，使得建筑结构也随之变化。为了适应上部小空间下部大空间的功能需要，需在两种结构的交接部位设置过渡结构，也就是转换层。因高层建筑结构的多样性，转换层也呈现多种形式。 关键词：高层 结构 转换层 多样 在我国高层建筑发展的早期阶段，所设计建造的高层建筑大都为单一用途，例如高层住宅、高层旅馆、高层办公楼等。近年来高层建筑发展迅速，建筑朝体型复杂、功能多样的综合性方向发展，因而相应的结构形式也复杂多样。后来陆续开始在高层住宅底层设置生活福利设施，并且开始大量兴建集吃、住、办公、购物、停车等为一体的多功能综合性高层建筑，尤其是在城市主干道两侧，并已成为现代高层建筑的一大趋势。 高层建筑功能综合化的优点：(1)将各种使用功能的建筑单元集中布置并上下组合在一起，使用上更方便省时，为人们提供良好的生活环境和工作条件，适应现代社会高效率、快节奏生活的需要；（2）集中紧凑的建筑布置，达到建筑面积最高利用率，相应集中紧凑的管道线路，有利于节约建设投资及减少能源消耗，也有利于物业管理，节约管理经费；（3）可减少建筑占地面积，节约土地费用，增加城市的绿化面积。一、多功能综合性高层建筑结构体系的特点 从建筑使用功能而言，在设计中，通常将大柱网的购物商场、餐厅、娱乐设施设于多功能综合性高层建筑的下层部分，而将较小柱网、较小开间的住宅、公寓、旅馆、办公功能的建筑设于中、上层部分。这种建筑使用功能的特点相应决定了多功能综合性高层建筑结构体系的特点。由于不同建筑使用功能要求不同的空间划分布置，相应地，要求不同的结构形式，如何将他们之间通过合理地转换过渡，沿竖向组合在一起，就成为多功能综合性高层建筑结构体系的关键技术。这对高层建筑结构设计提出了新的问题，需要设置一种称为“转换层”的结构形式，来完成上下不同柱网、不同开间、不同结构形式的转换，简单地说，就是上下两层的结构不一样，必需设置一个转换层来“承上启下”。结构上的转换层概念，主要是指在整个建筑结构体系中，合理解决竖向结构的突变性转化和平面的连续性变化的结构单元体系。它在主要满足结构安全功能要求的同时，多数情况下解决一些特殊技术性建筑功能要求。比如在结构转换层空间内布置管道、设备等等。这种转换层广泛应用于剪力墙结构及框架剪力墙等结构体系中。二、转换层的类型及其工程实例 按照不同的结构转换功能，转换层可分为三种类型：1、高层建筑上层与下层的结构形式不同，通过转换层完成其从上层至下层不同结构形式的变化。1）工程实例之一北京南洋饭店。地面以上24层，总高度为85m。第14层为框架结构，第6层以上为剪力墙结构，第5层为转换层，剪力墙的托梁高度为4.5m，底层柱最大直径为1.6m；2）工程实例之二广东肇庆星湖大酒店，34层，总高度为118.4m，6层以上客房采用剪力墙结构，5层处设置转换大梁，截面尺寸为0.5m2.5m，转换为下层的框架结构。2、高层建筑上层与下层的结构形式不变，但通过转换层完成其从上层到下层不同柱网轴线布置的变化。1）工程实例之一香港新鸿基中心，51层，总高度为178.6m，筒中筒结构体系。14层为大空间商业用房，5层以上为办公楼。外框筒柱距为2.4m，为解决底层大柱网入口处上、下不同结构柱网轴线的转换，采用截面尺寸为2.0m5.5米的预应力混凝土大梁，将下层柱距扩大为16.8m和12m；2）工程实例之二香港康乐中心，52层，总高度为178.7m，筒中筒结构体系，外筒为薄壁剪力墙筒，墙厚由底部的500mm变化到顶部的150mm，墙上开由圆形的窗洞。在底层入口进行了转换：通过采用截面尺寸为2.2m3.56m的预应力混凝土大梁作为转换大梁，将外筒全部竖向荷载通过10根外柱传至下部基础。3、通过转换层同时完成高层建筑上层与下层结构形式与柱网轴线布置的变化。1）工程实例香港Harber Road Development大厦。49层，总高度为180m，上层为小柱距框筒结构，通过截面尺寸为1800m(b)4250m(b)的预应力混凝土大梁的转换，将下层柱距扩大为9.6m和12m。三、内部结构采用的转换层结构形式为实现高层建筑内部上、下层结构形式与柱网的变化，可以用以下的结构转换形式：1、梁式转换由于它受力明确，设计与施工简单，一般用于上层为剪力墙结构，下层为框架结构的转换。当纵、横向同时需要转换时，可采用双向梁布置的转换方式。前述的北京南洋饭店，广东肇庆星湖大酒店都是采用梁式转换层。2、板式转换层 当上、下柱网、轴线有较大错位，不便用梁式转换层时，可以采用板式转换方式。板的厚度一般很大，以形成厚板式承台转换层。它的下层柱网可以灵活布置，不必严格与上层结构对齐，但板很厚，自重很大，材料用量很多。3、箱式转换层 当需要从上层向更大跨度的下层进行转换时，若采用梁式或板式转换层已不能解决问题，这种情况下，可以采用箱式转换层。它很像箱形基础，也可看成是由上、下层较厚的楼板与单向托梁、双向托梁共同组成，具有很大的整体空间刚度，能够胜任较大跨度、较大空间、较大荷载的转换。4、桁架式转换层 这种形式的转换层受力合理明确，构造简单，自重较轻，材料节省，能适应较大跨度的转换，虽比箱式转换层的整体空间刚度相对较小，但比箱式转换层少占空间。5、空腹桁架式转换层 这种形式的转换层与桁架式转换层的优点相似，但空腹桁架式转换层的杆系都是水平、垂直的，而桁架式转换层则具有斜撑竿。空腹桁架式转换层在室内空间上比桁架式转换层好，比箱式转换层更好。四、外围结构采用的转换层结构形式 前述转换层结构形式主要用于内部结构的上、下层转换。对于外围结构，往往由于建筑功能的需要在底部扩大柱距，一般采用梁式转换、绗架式转换、墙式转换、间接式转换、合柱式转换、拱式转换。美国纽约世界贸易中心采用合柱式转换。 以下介绍两种形式的结构转换：1、V形柱式结构转换 重庆银星商城，总建筑面积49800m2，地上28层，总高度101.2m，为商住、商贸综合楼，19层为商场，基本柱网为7.80m7.80m及7.80m9.30m,第10层为技术层及物业管理，第1126层为住宅，第27层及第28层为电梯技术间及水箱间。由于上部住宅的柱网、轴线与下部商场不能完全重合，对前述的转换层结构形式都不适合该工程的特点，而且材料用量及造价均较高。后来在第9层与第10 层利用两层空间设置了4根V形柱来完成结构转换。 在该设计中V形柱占据两层空间。其斜度为1/5.3，在上面一层为两肢对称的斜柱，到下面一层合成为实腹的倒梯形状，双斜柱的截面积之和不小于下面倒梯形柱的截面积。在斜柱的顶部用拉梁互相联结，同时在斜柱的外跨框架梁采取加腋措施。采用V形柱式结构转换时，该层梁的剪力及弯矩要小的多，同时节省了材料用量及比较。2、斜柱式结构转换 沈阳华利广场大厦，33层，总高度115m，框架核心筒结构体系。7层以上用作写字间、公寓，环绕圆形核筒设有16根走廊柱，目的是为了减小呈辐射状平面布置的主梁的跨度，并相应减小层高，然而，在7层以下，这16根环状布置的柱对商场的布置是不需要的，应予去除，这就构成了上、下层结构转换的问题。 在设计中，采用了斜柱双环转换结构。将转换层以上16根环状平面布置的竖直柱，在两层楼高范围内，一律向核心筒方向转折，最终予核心筒相交。鱼油核心筒内设有电梯、楼梯、管道井、楼板，楼板开洞较多，这16根斜柱内力的水平分量主要由核心筒外的圆环形楼板来承受。在斜柱顶部的楼层梁板出现环向拉力，在斜柱底靠近核心筒的楼层梁板则出现环向压力，。于是，相应分别在斜柱顶与斜柱底设置了抗拉环梁与抗压环梁，在设计中将环梁、楼板、斜柱顶主环梁的中心置于同一水平面上。 由于斜柱在其与竖柱相交处产生水平分力作用于楼层，对该水平力最好的处理办法是设法在最短的传力途径上予以平衡消失。就这点来说，斜柱宜成对称设置。如重庆银星商城大厦。而沈阳华利广场大厦虽用的是单斜柱，但它对核心筒呈对称环状分布，在斜柱顶部的环向拉力及斜柱底部的环向压力分别由抗拉环梁与抗压环梁来承担。斜柱穿越的层数最少是一层，也可根据需要穿越23层，增多穿越的层数可使斜柱对楼层的水平分力大为降低。 根据高层综合楼建筑功能的需要，选择适宜的结构转换层，不但可以节省材料用量，而且也可以节省建造费用。同时灵活的将建筑与结构统一，实现建筑之美