建筑结构层间塔接柱转换结构设计

建筑结构层间塔接柱转换结构设计

陈云锋

安徽寰宇建筑设计院安徽合肥230000

摘要：现代高层建筑向多功能和综合用途发展，在同一竖直线上，顶部楼层布置住宅、旅馆，中部楼层作办公用房，下部楼层作商店、餐馆和文化娱乐设施。不同用途的楼层，需要大小不同的开间，采用不同的结构形式。本文重点分析的就是建筑结构层间塔接柱转换结构设计。

关键词：建筑结构；层间塔接柱；转换结构设计

建筑要求上部小开间的轴线布置较多的墙体，中部办公用房要小的和中等大小的室内空间，下部公用部分，则希望有尽可能大的自由灵活空间，柱网要大，墙尽量少。这种要求与结构的合理、自然布置正好相反，因为结构下部楼层受力很大，即正常应当下部刚度大、墙多、柱网密，到上部逐渐减少。为了满足建筑功能的要求，结构必须以与常规方式相反进行布置，上部小空间，布置刚度大的剪力墙，下部大空间，布置刚度小的框架柱。为此，必须在结构转换的楼层设置转换层，称结构转换层。

一、工程项目概况分析

本工程总建筑面积约53500m2，建筑自下而上由地下车库、商场、办公及宾馆构成，建筑总高度148.2m，地下3层，地上39层。地下层1～地下层3层高分别为4.7，4.3，4.15m，地上层1层高5.2m，其余商场部分(层2～6)层高为4.5m，办公区(层7～11)层高3.8，4.2m，宾馆(层13以上)层高3.6m，设备层(层12，26)层高5.5m和5m。建筑用地呈规则的长方形(约49m×82m)，地下室平面41m×73m，商场平面33.2m×59.2m，塔楼平面30.2m×49.2m～27m×42m，塔楼建筑平面呈长方形。塔楼高宽比最大为4.78，长宽比为1.8。根据建筑平面使用功能和立面的需要，塔楼采用了钢筋混凝土框架-核心筒结构体系，剪力墙筒体贯通建筑物全高，外围框架柱在层33以上逐步内移以实现建筑立面造型。

二、建筑转换层结构形式的分类

（一）梁式转换层结构梁式

转换层结构是高层建筑施工中，最普遍使用的上下层转换用结构，其优点是设计方便、传力明确，而且施工成本相对较低，利于控制。梁式转换层结构设计的理论依据是，通过垂直转换的方法，梁式转换层在中间，将上部墙体结构的负荷传递给下部的柱体结构，从而保障高层建筑结构的稳定性。并且，据统计，我国现有的高层建筑物，其施工过程中使用梁式转换层结构的占到70%，可谓是应用广泛。

（二）箱式转换层结构箱式

转换层结构就没有梁式转换层结构应用广泛。它主要应用于高层建筑物中单向或双向托梁楼板结构比较厚的建筑物，用箱式转换层结构转换后，使得整个高层建筑物更稳定，整体性更强，刚度和其他性能也得到提高。

（三）板式转换层结构

在高层建筑施工中，对于进行转换的层结构的上下层间的梁柱结构有大量错开的情况下，就需要采用板式转换层结构对其处理，而不能使用梁式转换层结构处理。这样的上下层结构间，用板式转换层结构转换，可以将其上下层的柱网结构连接成一个整体，使得整个建筑结构更稳定与可靠。但是这种板式转换层结构在实际应用中存在着施工成本高，自身重量大的缺点，也给施工过程带来难度，技术要求高，不易施工，所以在实际建筑施工过程中，这种板式转换层结构应用就比较稀少。

三、建筑结构层间塔接柱转换结构设计

（一）主要设计参数

工程结构设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为二级。抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为6度，基本地震加速度为0.05g，设计地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅱ类。50年，100年重现期的基本风压分别为0.50，0.60kN/m2，场区地面粗糙度为C类;风压体型系数取1.3。典型竖向构件截面见表1，混凝土强度等级从下至上为C70～C35。

（二）转换构件内力分析及设计

搭接转换构件(包括搭接块、与搭接块相连的梁、板)作为关键受力构件，需比一般竖向构件有更高的抗震性能目标:小震不坏、大震轻微损坏。为达到抗震性能目标，构件设计时除需满足正常使用条件下的承载力要求外，还需复核罕遇地震作用下的极限承载力，即按大震不屈服设计。

1.重力荷载作用下梁、板内力分析

搭接柱转换时与搭接块相连的楼面梁、板受拉、压力作用，为了控制裂缝，需控制在重力荷载标准值(D+L)下楼面梁、板的应力水平。层32梁拉应力平均值为0.97N/mm2＜ftk=2.01N/mm2;层33梁压应力平均值为1.69N/mm2＜0.1fck=2.01N/mm2。与搭接块相连楼层的板厚为150mm，在轴④两侧各取1.8m(12倍的板厚)宽度计算平均应力。层32楼板平均拉应力为0.86N/mm2＜ftk=2.01N/mm2;层33楼板平均压应力为1.54N/mm2＜0.1fck=2.01N/mm2。

2.地震作用下梁、板内力分析

罕遇地震时32层梁拉力标准值为多遇地震作用设计值的1.50倍。考虑到罕遇地震时钢筋、混凝土强度取标准值，多遇地震时取设计值，受拉梁在罕遇地震作用时比多遇地震作用时的配筋略有增加，但考虑小震作用承受拉力的钢筋配筋率仅0.55%，因此考虑罕遇地震后通过增大梁配筋可以满足要求。多遇地震作用下层33梁压应力为2.28N/mm2=0.12fc/γRE;罕遇地震作用下层33梁压应力为3.11N/mm2=0.15fck，设计时均通过压弯构件计算复核梁配筋，保证其抗震受压承载力。在多遇地震作用下层32轴④左右各1.8m范围内，板所受的总拉力设计值为532kN。在罕遇地震作用下板所受总拉力标准值为749kN，为多遇地震设计值的1.41倍，为重力荷载(控制板配筋)作用下拉力的1.61倍。可以估算:在重力荷载(D+L)作用下钢筋强度取150N/mm2(构件裂缝不超规范要求时钢筋应力常规值)，在罕遇地震作用下钢筋强度取标准值，因此层32板在罕遇地震作用时配筋比重力荷载作用时配筋略有增加。

3.搭接块设计

经计算，层33轴④/搭接块在正常使用状态下竖向剪力标准值Vvk=3964kN，水平剪力标准值Vhk=1716kN。Vvk/ftkbh0=3964×1000/(2.39×700×3650)=0.65。根据《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002)式10.8.1计算的裂缝控制系数β=0.74＞0.65，因此搭接块满足正常使用极限状态要求。在多遇地震作用下搭接块竖向剪力设计值Vv=5178kN，水平剪力设计值Vh=2339kN。Vv×γRE/(fcbh)=0.1，搭接块斜压承载力满足要求。竖向配筋:Asvv/s=Vv×γRE/fy/h=3.3mm，计算配筋率0.55%。水平配筋:Asvh/s'=Vv×γRE/fy/C=2.5mm，计算配筋率0.42%。式中:γRE为承载力抗震调整系数，取0.85;fy为钢筋受拉强度设计值，取360N/mm2。

结语

综上，工程中搭接柱用于高位转换，其在罕遇地震作用下竖向配筋仅比构造配筋大7%，水平向配筋仍按构造配筋。因此通过合理配筋，能够保证搭接块的抗震性能目标。

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