关于高层建筑抗震的结构设计探讨

关于高层建筑抗震的结构设计探讨
本文主要介绍桁架转换层结构设计原则及要求，并对梁式转换层、单层钢桁架转换层和迭层钢桁架转换层的受力特点进行对比，分析其影响因素，为高层建筑提出相对的方案。

一前言
目前高层建筑中，梁式转换层结构应用最为普遍，其主要优势是实现了垂直转换，但如果在托柱形式的梁式转换层中，如果转换梁跨度很大，承托层数较多时，其上部框架柱传递下来的竖向荷载将会很大，就会导致转换梁的截面尺寸过大，实际实施中应用就必须考虑到这点。

另外，采用转换梁也不利于大型管道等设备系统的布置，不利于该转换层建筑空间的充分利用。

因此，有必要寻求新的转换结构形式来替代转换大梁。

理论分析和工程实践表明采用单层或迭层桁架结构替代转换梁作为转换层结构是一种较为可行的方案。

二桁架转换层的主要形式
桁架转换层分为单层桁架与迭层桁架，其中又包括斜腹桁架和空腹桁架。

空腹桁架又包括等节间空腹桁架，不节间空腹桁架，混合空腹桁架。

桁架转换层构件可用钢筋混凝土结构、预应力结构、钢结构，在实际工程中精架式转换结构多采用混凝土结构或预应力混凝土结构，对于大跨度钢桁架结构转换层，虽然传力明确，传力途径清
楚，但构造和施工复杂，实际结构并不是很多，做的实验也比较少。

采用斜杆桁架、空腹桁架或迭层桁架作转换构件时，桁架下弦宜施加预应力，形成预应力混凝土桁架转换构件，以减小囚桁架下弦轴向变形过大而引起精架及带桁架转换层高层建筑结构在竖向荷载下次内力的影响和提高转换桁架的抗裂度和刚度。

采用转换桁架将框架一核心筒结构、筒中筒结构的上部密柱转换为下部稀柱时，转换桁架宜满层设置，其斜杆的交点宜为上部密柱的支点。

采用空腹精架转换层时，空腹桁架宜满层设置，应有足够的刚度保证其整体受力作用。

三转换层结构的设计原则
⑴转换层的一般设计原则①减少转换。

布置转换层时，当上下主体是竖向结构时，尤其对于有框架核心筒结构中核心筒的情况时，应该注意使尽可能多的上部竖向结构，并且能向下落地连续贯通。

②传力直接。

传力直接能够对整体结构有很好的转换作用，布置转换层上下主体竖向结构时，应该尽量避免多级复杂转换，这样使水平转换结构传力直接，而且慎重采用传力复杂、抗震不利的厚板转换，如上下柱网确实无法对齐时，尽量采用箱形转换。

③强化下部、弱化上部。

a应尽量强化下部，一般而言是指侧向刚度，而弱化下部主要是指转换层上部结构侧向刚度，这样的意义在于使转换层上下主体结构侧向刚度尽量接近、平滑过渡。

设计时，应合理控制转换层上、下结构侧向刚度比的取值。

b应尽量强化和
提高下部结构抗震承载能力和延性。

避免罕遇地震作用下下部主体结构破坏，同时应注意保证转换层上部l～2层不落地剪力墙的承载能力和延性，避免重力荷载和罕遇地震作用下不落地剪力墙根部的破坏。

注意和加强下部框架梁、上部连梁的延性，适应罕遇地震作用下的塑性铰发育发展耗能的需要。

强化下部结构的具体措施应该视具体情况而定，对于带转换层的剪力墙结构或简体结构，可在房屋周边增置部分剪力墙、壁式框架或楼梯问筒体、加大简体及落地墙厚度、提高混凝土强度等级，提高抗震能力，相应的上部弱化主要是采取以下措施：不落地剪力墙开洞、开口、减小墙厚等。

④优化转换结构。

当建筑功能里面考虑到抗震设计，宜优先选择如斜腹杆桁架、空腹桁架和扁梁等，不致引起地震作用下框支柱柱顶弯矩过大、柱剪力过大的结构形式。

同时要注意需满足重力荷载作用下强度、刚度要求。

⑤全面细致的计算。

作为整体结构中一个重要组成部分，转换结构必须采用符合实际受力变形状态的计算分析，而且应该建立模型进行三维空间整体结构计算分析。

或者可采用有限元方法对转换结构进行局部补充计算，此时转换结构以上，至少取两层结构进行局部计算模型，并注意模型边界条件符合实际工作状态。

⑵带桁架转换层高层建筑的设计原则①为了满足带桁架转换层高层建筑具有较好的延性，能够满足下程抗震的要求。

托柱形式带桁架转换层高层建筑结构设计必须遵循以下原则：“强化转换层及其下部、弱化转换层上部”；桁架转换上部框架结构按“强柱弱梁、强边柱弱中柱”的原则；桁架转换按“强斜腹杆、强节点”的原则。

②一般情况下，为了确保塑性铰在梁端出现，使柱比梁有更大的安全储备，转换桁架上部框架结构按“强柱弱梁、强边柱弱中柱”的原则进行设计。

其中卜部结构必须满足轴压比要求、抗剪要求及构造要求，柱按普通钢筋混凝土框架结构的设计，确定截面尺寸。

为满足“强边柱弱中柱”的原则，中柱截面尺寸一般较小。

上部结构梁的截面设计同普通钢筋混凝土框架结构，应尽量使其先屈服，满足“强柱弱梁”的要求。

如果由于构造要求而不能加大中柱刚度时，可以采用内埋型钢的方法。

③设计时转换桁架上层柱的柱底尽可能避免边柱出现塑性铰，此时为了满足转换层上、下层等效剪切刚度(等效侧向刚度)比，并且保证精架转换层框架结构有更好的延性。

要求的带桁架转换层结构，转换桁架上层是结构的薄弱层，破坏比较严重，此外还要加强上层柱与转换桁架的连接构造。

④特殊情况下，当很难满足轴压比的要求时，转换桁架下层柱的轴压比，转换桁架以下柱可采用高强混凝土柱、钢骨混凝土柱等有效方法来调整截面尺寸、刚度及其延性。

⑤斜杆桁架设计时，受压斜腹杆的截面尺寸一般应由其轴压比控制计算确定，斜腹杆桁架上、下弦节点的截面，必须应满足抗剪的要求，这样便于保证整体析架结构具有一定延性不发生脆性破坏。

对桁架转换层而言，应保证强受压斜腹杆和强节点。

如果不满足要求，可配置螺旋箍筋或采用内埋型钢或内埋空腹钢析架的钢骨混凝土。

四转换层结构侧向的刚度比
带转换层高层建筑结构应使转换层下部结构的抗侧刚度接近转换层下部临
近结构的抗侧刚度，不发生明显的刚度突变，转换层结构不应设计成为柔弱层。

在水平荷载作用下，当转换层上、下部结构侧向刚度相差较大时，会导致转换层上下结构构件内力突变，促使部分构件提前破坏；当转换层位置相对较高时，这种内力突变会进一步加剧。

因此，设计时，应控制转换层结构的等效刚度比。

⑴转换层上、下层剪切刚度比。

底部大空间为l层时，可近似采用转换层上、下层结构等效剪切刚度比。

为保证转换层下部大空间整体结构有适宜的刚度、强度、延性和抗震能力，应尽量强化转换层下部主体结构，弱化转换层上部主体结构的刚度，使转换层上、下部主体结构的刚度及变形特征尽量接近。

⑵带转换层高层建筑结构等效侧向刚度比底部大空间层数大于l层时，其转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比γ，可采用高规中公式(E．0．2)计算。

其中水平荷载以节点单位荷载形式施加在转换层上部剪力墙布置的节点部位。

等效侧向刚度比是影响带转换层结构的高层建筑抗震性能的重要指标之一。

五结语
建立4个桁架模型，分析对比单层、迭层桁架不同形式的受力特性，得出较合理的转换构件形式，以给设计、施工提出一定的依据。

综合考虑钢桁架转换层的受力特点以及整体结构抗震性能的要求，由于钢桁架的受力性能和抗震性能比较好，应当主要考虑减轻端部混凝土简体的受力，适当使钢桁架分担更多的荷载，才能使得整个结构体系的受力更为合理，同时也对整体结构的抗震有利。