试论高层建筑厚板结构转换层的施工技术

试论高层建筑厚板结构转换层的施工技术
摘要：随着我国经济的发展和工程建设规模的不断扩大，高层建筑逐步向多功能和综合用途发展，为满足建筑工程的要求，大部分高层建筑均设置了结构转换层。

本文通过对某高层建筑结构的设计实例，分析了高层建筑带转换层结构设计中应注意的问题，探讨了厚板转换层的方案选择，结构布置、结构分析与结构措施。

关键词：高层建筑；厚板结构转换层；施工技术
1 引言
目前，随着我国经济的发展和工程建设规模的不断扩大，高层建筑得以迅速发展，从建筑功能单一、体型简单向体型复杂、建筑功能多样化的方向发展，尤其是临街的高层建筑和商住楼，往往需要沿建筑物的竖向划分为不同用途的区段，诸如：底部用于商业，要求有大柱网大空间的厅堂及交通通道，上部楼层为酒店客房、住宅；下部楼层用于办公，上部楼层为酒店需要布置大空间的厅堂、大开间的客房等。

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，这就不可避免地使结构正常布置与建筑功能产生矛盾，如何将他们之间的矛盾通过合理地转换过渡，沿竖向组合在一起，成为综合性多功能高层建筑结构体系的关键技术。

因此，要将这些上下不能连续的竖向结构构件组合在一起，必须设置一种称为“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，就是设置一个转换层来“承上启下”，实现上、下竖向构件的过渡。

2 实例概况
例如宁德人大信息楼主体工程，总建筑层数为13层框架，本工程17层，其中地下一层，地上12层，地下一层为设备用房及停车场，层高4.20 m；首层为住户大厅及商铺，层高为4.50m；2层—13层为住宅，层高3.0m，建筑物总高度为47.10m二层天面设置转换层，为6度抗震设防，建筑总面积7659㎡。

本工程最大特点为首、二层要求大空间，柱网规整(8 m×8 m)，而上部为商住楼，剪刀墙布置较零散，很多剪刀墙没有落在柱网上，与转换层以下的柱网错开较多，因而存在二次或三次转换的问题。

3 结构转换层的形式和选择
3.1梁式转换，力的传递关系直接的明确，但当转换梁的跨度较大时，转换梁的截面高度很大，将会影响转换层的建筑净空和层高；而当上部剪力墙布置不规则，较零散时，存在二次或三次转换，加长了力的传递途径和增加了节点构造
的难度，自重较厚板轻。

3.2桁架式转换，利用转换层上、下层楼盖处的结构梁作为上、下弦杆，附以转换层内腹杆(直杆或斜杆)，从而组成刚接的桁架；由于从受力性能上与大截面梁腹部局部挖空有相似之处，能提供很大的刚度来进行结构转换，并能充分利用构件的截面承载力和材料特性，适用与转换跨度较大的情况；但转换桁架的布置也会受到上下部结构柱网布置的限制，且上、下弦杆和节点的设计和施工是关键所在，自重较厚板轻。

3.3箱式转换，以转换层的顶，底板和转换层内纵、横方向的肋墙构成箱体来进行结构转换，转换箱的平面内、外刚度与转换厚板相近，可以合理、可靠地传递、分配转换层上下的荷载，自重较厚板轻。

但当转换层上下部柱网不规则时，转换箱体的内部肋墙布置也较复杂，而局部抗剪切和抗冲切承载力需重点解决，且箱体肋墙的开门、窗洞受到严格限制，会对建筑使用功能造成一定的影响。

3．4厚板转换，可不受上、下部结构轴线错开或布置不规则的限制，同时，厚板本身的抗剪切、抗冲切承载力较高，其平面内、外刚度较大，可较好地控制变形。

但由于转换板的厚度较大，自重亦较大，同时转换板在楼层处集中了很大的质量和刚度，在风或地震的水平力作用下会产生很大的反应，其上、下相邻楼层均会发生较大的层间位移，容易成为结构的薄弱层。

综合考虑了以上各种结构转换形式的优缺点后，结合本工程上、下部结构布置的特点，决定采用厚板转换，转换板厚为900 mm，砼强度等级为C40，钢筋采用HRB335级。

4 板式转换层结构的分析方法
当采用板式转换层进行上、下部结构的转换时，转换板的内力分布有特殊的规律及其对整个结构的影响是结构设计的关键，所以对转换板的内力分析采用正确合理的方法是至关重要的。

目前工程上常用的分析厚板转换层和相应结构的方法主要有如下几种：
4.1 等效交叉梁系的分析方法
当转换板上、下部结构布置规则时，可以把转换板划分为双向交叉梁系，交叉梁系通过柱联节点或无柱联节点与上、下部结构的竖向构件相连，参与结构的整体计算，根据整体分析所得的等效交叉梁系的内力，求得转换板板带的配筋。

当转换板上部竖向结构构件布置不规则时，由于交叉梁系中的梁宽和合理取值很难确定，所以分析误差较大。

4.2刚性板的简化分析方法
当转换板上部结构的面积很小，转换板的厚度大于其边长的1/10，且大于下部支承的净距的1/5时，假设厚板平面外的刚度无限大，不产生变形，按刚性层
对转换板及其上、下部结构进行计算。

首先，将转换板视为上部结构的固定端，计算上部结构的内力和位移，从而得到竖向构件传给转换板的荷载；其次，按刚性层的计算方法，计算下部结构的内力和位移；第三，根据上部结构与下部结构的计算结果，计算转换板的内力。

这种计算方法由于是假定转换板在平面内刚度无限大，只产生位移而不产生变形，与实际情况存在较大差异，而且对建筑的整体受力分析不够明确。

4.3设置虚梁的分析方法
设置虚梁的分析方法是指先采用高层建筑结构空间有限元分析与设计软件(如PKPM系列中SATWE)中定义的虚梁，建立柱联节点或无柱联节点网以形成转换板上、下部结构的力的传递，使转换板参与结构整体计算分析，再采用PKPM 系列中的Slab CAD程序对转换板进行局部有限元分析。

对厚板而言，剪切变形很重要。

PKPM系列中的SlabCAD程序所采用的板单元为基于Mindlin假设的中厚板通用八节点等参单元，计算精度较高。

本文所述的16层高层建筑，其结构的计算就是采用此方法的。

4.4 组合单元的分析方法
上述的厚板转换层结构的计算分析方法从满足工程需要的角度出发是可行的，但对于体型特别复杂的高层建筑，这种精确分析是有局限的，特别是采取两步走的方法从分析本质上讲是对厚板转换层的静力分析，对地震作用下厚板的动力特性进行准确分析，在一定范畴内是具有局限性的。

从精确的分析角度出发，应用大型的结构通用分析软件(如SAP2000)，采用组合单元对结构进行整体的有限元分析，是最能反映结构实际受力的方法。

但这种方法需时较长，计算机配置要求较高，不便于工程反复计算及修改。

5 实例的计算分析
5.1 结构的整体计算分析
(1)底部为大空间的高层建筑，其结构的薄弱层在转换层的附近几层，设计时应使转换板上、下部结构的等效侧向刚度比控制在0.5—1.30范围内；
(2)由振型曲线说明，带厚板转换层的高层建筑结构，由于转换板类似有小侧移的固定端，有约束上部结构的位移作用；
(3)在地震作用下，带厚板转换层的高层建筑结构，其总体受力特征与底层大空间剪力墙结构相似。

在转换板处，剪力有较大的突变，与转换板连接的上下部构件处会产生应力集中，设计时应加强构造措施；
(4)设计时应重点验算转换层附近几层构件的承载力和层间位移角；
(5)在地震作用下，搂层剪力沿高度变化趋势是自上而下呈线性增加，在转换板处剪力有较大的突增，转换层下部结构外柱的剪力较大。

同时，由于外柱的力臂较大，在水平荷载作用下，转换层下部结构的外柱轴力增加亦较大，致使柱形成的整体弯矩亦增加，起到增大结构抗侧力刚度的作用。

5.2 转换板局部有限元的分析
将SATWE的整体数据转入到SlabCAD程序中，截取的层模型包括转换层的楼板、梁、柱、剪力墙和上层的柱、剪力墙，其中转换层的梁、柱、剪力墙对楼板的约束作用通过其单元刚度在总刚度矩阵中直接放映出来，上层的柱、剪力墙对楼板的约束作用通过SATWE分析的柱、剪力墙底内力和节点位移放映出来。

转换板的单元尺寸控制在1.5米以下，共计836个节点和138个中厚板单元，转换板的有限元分析考虑了如下五种工况：
工况1：重力荷载×1.25
工况2：重力荷载×1.20+Y方向水平风荷载×1.40
工况3：重力荷载×1.20-Y方向水平风荷载×1.40
工况4：重力荷载×1.20+Y方向水平地震荷载×1.30
工况5：重力荷载×1.20-Y方向水平地震荷载×1.30
5.3 采取的结构措施
根据计算结果，转换层上、下层刚度变化很大，形成结构的薄弱层，这显然是对抗震设计非常不利的，同时转换板的强度也直接影响着整个建筑物的安全，针对以上情况，本工程在设计时采取了如下加强措施：
(1)为了控制转换板上、下部结构的等效侧向刚度比在1.30以下，对框支柱、落地剪力墙、筒体适当加大截面尺寸，提高砼强度等级。

同时对转换层上、下一层的楼板适当加厚至200 mm，加大配筋率。

(2)板式转换层的下一层框支柱设置柱帽，剪力墙设置类似于柱帽的牛腿，以提高其对厚板的嵌固作用，提高抗冲切能力。

(3)转换板内沿下部结构轴线设置暗框架梁，下部结构轴线之间沿上部结构主要剪力墙长度方向设置暗次梁。

暗框架梁宽取板厚，暗次梁宽取1/2板厚，这样大大地提高了板的抗剪能力。

(4)转换板采用上、下对称双层双向配筋，配筋量以厚板局部有限元分析结果为校核依据，每一方向的总配筋率不小于0.60%。

(5)转换板与上、下部结构的剪力墙或柱子的连接处，进行厚板的局部承压和抗冲切承载力验算，如需要可配置抗冲切箍筋或弯起钢筋。

(6)转换板与筒体连接处，沿筒体周边设一道暗圈梁，梁宽取板厚(即计入筒壁厚度)，以增强厚板与筒体的连结。

该工程已竣工验收交付使用近二年，至今未发现有任何异常现象，是板式转换层成功应用的例子。

6 结语
转换层采用厚板来转换，不受建筑使用功能的限制，柱网可以灵活布置，能最大限度地满足建筑的平面多样化布局要求，在一定的范围内值得采用的结构型式。

转换板的厚度由板的抗弯、抗剪、抗冲切承载力计算确定，通常可取跨度的1/5—1/10。

应采用两种以上符合实际受力特征、不同力学模型的三维空间分析软件进行整体结构的计算分析，力求做到分析正确，计算正确。

对于大柱网的裙房，如采用转换板来转换，最好采用预应力技术，可以提高板的抗裂、抗冲切能力、降低地震反应、减缓厚板的刚度退化、控制大体积砼的收缩应力和温度应力有明显的作用。

转换板的厚度较厚，施工荷载较大，同时砼的水化热、收缩亦较大，施工单位须有较强的技术人员、设备及专门的养护措施。