转换层结构设计

日本神户A公寓，1995年阪神地震中，西楼3层东侧部倒塌，西 楼4层东侧也严重破坏，
3）日本神户市HA公寓，1995年阪神地震中，该建筑物震害集中 在1层，2层以上物震害，1层中部4个轴（X2、X3、X4、X5）的 8根柱上端主筋屈压。
带转换层高层建筑结构设计
一、设计原则 二、带转换层高层建筑结构的适用高度和抗震等级 三、构件设计要求 四、构件构造要求 五、设计中几个常见问题。 六、软件运用中几个需要注意的问题。
二、带转换层高层建筑结构的适用高度和抗震等 级 三、构件设计要求
1、转换结构 转换构件水平地震作用产生的内力应分别乘以增大系数1.8（特一级）、 1.5（一级）、1.25（二级）。《高规》10.2.6条。 1）框支梁 框支梁断面可按下列构造要求确定： 梁宽≥2倍上部框支墙厚且≥400mm 梁高≥1L/6（L框支梁跨度） 框支梁应适当增加构造配股率，避免罕遇地震下转换梁剪切破坏。重力 荷载作用下框支梁一般均处于偏心受拉状态，应按偏心受拉构件设计，按 拉应力配置水平受拉腹筋。
由表8.1.4可看出，转换层较高时，剪切刚度比及侧向刚 度比基本没有变化（侧向刚度底层除外），随着转换层 位置的提高，等效刚度比加大。因此，对框支层数大于1 层的带转换层剪力墙结构，等效刚度比更能反应其刚度 变化情况。
调整转换层上下构件尺寸，使等效刚度比γ e不同。研究 γ e变化时转换层上下结构层间位移角变化及剪力变化情 况。（3轴处剪力比）



框支柱设计中要注意上部刚性墙体地震倾覆力矩产生的框支 柱轴向拉、压力的影响，尤其是单跨框支框架。 部分框支剪力墙结构抗震设计中需要加强的部位应包括底部 及转换层以上1~2层的楼板、剪力墙和柱。结构的延性耗能机 制宜呈现在加强部位以上的结构中。
ICSB大楼，79年10月15日美国加利福尼亚州南部发生里氏6.4级地 震，一层G轴柱严重破坏，柱下端混凝土压碎，主筋呈灯笼装外鼓。 一层柱箍筋是加密的，但只加密了基础到一层地板段，使1层G轴柱 破坏集中在1层地板处。
2）因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（框支柱、转换梁等）破坏，同时应注意保证转 换层上部1~2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。 对于带转换层的剪力墙结构或筒体结构，可采取一下措施强化下部 结构：加大筒体及落地剪力墙厚度、提高混凝土强度等级、必要时可 在房屋周边增置部分剪力墙、壁式框架或楼梯间筒体，提高抗震能力； 可采取以下措施弱化上部：不落地剪力墙开洞、减少墙厚等。 4、优化转换结构 抗震设计时，当建筑功能需要不得已采用高位转换结构时，宜优先 选择不致引起地震作用下框支柱（边柱）柱顶弯矩、剪力过大的结构形 式。如桁架转换、扁梁转换等，同时要注意满足重力荷载作用下强度、 刚度要求。
一、设计原则
1、减少转换 2、传力直接 布置转换层上下主体竖向结构时，注意尽量使水平转换结构传力直接， 尽量避免多级复杂转换（如二级次梁转换），慎重采用传力复杂、抗震 不利的平厚板转换，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 1）尽量强化转换层下部结构的侧向刚度，弱化转换层上部结构的侧向刚度， 使转换层上下主体结构侧向刚度尽量接近、平滑过度。 抗震设计时，控制转换层上下主体结构侧向刚度，宜满足（建议）
剪力墙竖向不连续结构抗震设计的几个重要概念
上部楼层的剪力墙在底部楼层全部中断，转换为框架，这种底部柔弱 层结构对抗震十分不利（现在已不给用这种结构形式） 框架-剪力墙结构上部楼层的剪力墙在底部楼层全部中断，底部楼层 另布置一些与上部楼层剪力墙不连续的剪力墙，这种结构对抗震不利。 框架-剪力墙结构中的剪力墙一般不宜中断。如图8.1.60 剪力墙结构上部楼层的剪力墙仅部分在底部中断，转换为框架，有足 够的剪力墙连续贯通落地，这中部分框支剪力墙结构如设计合理，其 抗震性能比较好，但如设计不当，仍难免发生较严重破坏，如： 1）落地墙与框支柱的布置不均匀、对称，结构刚度偏心较大，使框支柱 严重破坏。图8.1.65 2）转换构件的刚度较弱，楼板的刚度和抗剪承载力较弱，使楼板严重破 坏，转换构件上部剪力墙、柱破坏严重。 3）剪力墙在底部中断，在底部布置斜撑，底部结构抗侧刚度不发生突变， 但需注意斜撑不能减少框支柱因倾覆力矩引起的轴力。图8.1.63
1 H 2 e x 2 H1
式中 H1、H2分别为转换层下部结构及上部结构计算模型高度，H1≥H2； Δ 1为转换层下部结构在H1高度作用单位水平力下的位移； Δ 2为转换层上部结构在H2高度作用单位水平力下的位移。 将前述转换层位于1~7层时的带转换层剪力墙结构沿y向楼层剪力刚 度比（K上/K下）及转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比γ e列 于表8.1.4，其中楼层侧向刚度取改楼层剪力和该楼层层间位移的 比值。
由图中可见，对带转换层剪力墙结构，当结构布置不变 时，随转换层层高的增加，转换层与其上一层侧向刚度 比减小， θ 1/θ 2增加，V2/V1也增加。
带转换层筒体结构，转换层位于第2层和第5层时转换层 与其上层侧向刚度比和θ 1/θ 2及V2/V1的关系
（三）转换层上下等效刚度比
转换层上部与下部结构等效刚度比计算
2、框支柱——地震作用下框支柱内力调整 剪力调整：《高规》4.9.2条；6.2.3条；10.2.7条；10.2.12条 框支柱数目少于10根时，每根柱所受的地震作用产生的剪力不少于地 震作用产生的结构基底剪力的2%（框支层1~2层）、3%（框支层3层及 以上时）； 框支柱数目多于10根时，框支柱所受的地震作用产生的剪力总和不少 于地震作用产生的结构基底剪力的20%（框支层1~2层）、30%（框支 层3层及以上时）； 对地震工况计入各层框支柱柱端增大弯矩调整影响以后再与其它工况 组合，框支柱剪力组合设计值，在以上基础上再增大1.7（特一级）、 1.4（一级）、1.2（二级）
带转换层剪力墙结构
概况：总高：121.5m。 转换层及其以下各层为“框支”结构。层高： 4.5m。图（a） 转换层上部为剪力墙结构，层高3m。图（b） 分析中地震作用方向横向（y向）
带转换层框架核心筒及筒中筒结构
这类结构一般要求内筒上下连续贯通落地，外筒通 过转换层连接，转换层下部由框支柱支承。 概况：为分析外筒刚度对转换层附近结构刚度影和 剪力分布突变影响，分析了10种方案。 高度均为143m，转换层高6m，转换层以下各层高 5m，以上各层高3m。转换层以下内筒墙厚600mm， 外筒柱截面为1600x1600。10种方案转换层上部结构 不同。见下表。
带转换层高层结构设计
带转换层的剪力墙结构（目前常用）
结构抗震性能影响分析（216）

带转换层剪力墙结构 带转换层筒体结构
带转换层剪力墙结构（a）转换层下部结构
带转换层剪力墙结构（b）转换层上部结构
带转换层筒体结构（a）转换层下部结构（b）转换层上 部结构（框架-核心筒）
带转换层筒体结构（c）转换层上部结构（筒中 筒）（d）转换层上部结构（筒中筒）
当转换层设置在3层及3层以上时，其楼层侧向刚度尚不应小于相 邻上部楼层侧向刚度的60%。（高规附录E） 当转换层设置在1、2层时，其楼层侧向刚度尚不应小于相邻上部 楼层侧向刚度的50%。（王亚勇、戴国莹-建筑抗震设计规范疑问解答） （徐健-建筑结构设计常见及疑难问题解析） 以上层刚度比计算在PKPM软件中用地震剪力与地震层间位移的比算法。 当底部大空间为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。（计算公式等详高规附录E) 此种层刚度比计算在PKPM软件中用剪切刚度算法。 当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刚度比 Γ e宜接近1，非抗震设计时γ e不应大于2，抗震设计时γ e不应大于1.3。 （计算公式等详高规附录E) 此种层刚度比计算在PKPM软件中用剪弯刚度算法。


带转换层的筒体结构，如转换层上部的外筒为框架，一般情况下不会 发生刚度突变，但剪力传力途径的变化仍然存在。这类结构的转换层 设置高度可适当提高，γ e一般都满足限制条件，但转换层本层侧向 刚度与相邻上层侧向刚度之比值，有时会不满足限制条件。对这类结 构的关键部位仍需采取加强措施。 带转换层的筒体结构，如转换层上部外筒为剪力墙组成的壁式框架， 结构的刚度和剪力分布突变与框支剪力墙结构类似，抗震设计时采取 的加强措施应予框支剪力墙结构相同。房屋的使用高度宜比不带转换 层的筒体结构适当降低。
5、计算全面细致 整体结构计算需采用2个以上不同力学模型的程序进行抗震 计算，还需采用弹性时程分析计算并宜采用弹塑性时程分析校 核。 高位转换时还应注意对整体结构进行重力荷载下施工模拟 计算。 8度抗震设防时，转换构件应考虑其上竖向荷载代表值的 10%作为附加竖向地震作用力，此附加竖向地震作用应考虑上 下两个方向。 抗震设计时，转换层的地震剪力应乘以1.15增大系数。 《高规》10.2.6条。

上述两大类转换结构，通过改变 框支层数及上部结构层数，保持 总高度不变的情况下进行。
（一）转换层设置高度

框支剪力墙转换结构位于1~7层时，结构层间位移包络图。
图（a）和图（b）为转换层位于1层和7层时结构2轴落 地墙及3轴框支墙的剪力分配情况。
图（a）（b）（c）分别示出表8.1.1中A4、B2、C4三 种结构其转换层设置高度在第2~6层时层间位移角包络图

结语




对带转换层的剪力墙结构及筒体结构这两类转换结构，影响其抗震性 能的主要因素，分别是：转换层设置高度、转换层上部与下部结构等 效刚度比、转换层结构与其上层结构刚度侧向刚度比。对带转换层的 筒体结构其主要影响表现为转换层上部外筒的刚度、转换层设置高度 和内筒刚度。 对上述两类转换结构，转换层设置高度越高，转换层上下层间位移角 及内力突变越明显，设计时应限制转换层设置高度。 转换层与其上层的侧向刚度比对结构抗震性能有一定的影响。对转换 位置较低的带转换层剪力墙结构，控制侧向刚度比可以控制转换层附 近的层间位移角及内力突变。 对转换层位置较高的带转换层的剪力墙结构，仅仅控制转换层上、下 楼层的侧向刚度比是不够的，还应控制转换层上部与下部结构的等效 刚度比。γ e越大转换层上下层间位移角及内力突变越明显，设计时 应限制γ e，使其尽量接近1，且不大于1.3。
转换层设在第2层与设在第5层的剪力突变对比
（二）转换层上下楼层侧向刚度比
带转换层剪力墙结构，调整转换层结构层高，计算转换层 上下层间位移角及转换层剪力变化。下图（a）图（b）示 出转换层位置分别在2~6层时，转换层与其上一层侧向刚 度比与转换层上、下层间位移角之比（θ 1/θ 2 ）及剪力 比（V2/V1）的情况，其中θ 1、θ 2为转换层及上一层层 间位移角，V1、V2为转换层及上一层3轴框支墙的剪力。
Vi i 1 0.7 Vi 1 i
式中Vi Vi 1
i 楼层结构侧向刚度；
Vi、Vi 1 i、i 1层结构一个主轴方向水 平总地震剪力；
i、 i 1 i、i 1层结构该主轴方向水平 地震作用下层间水平位 移。
由上图（a）可看出，转换层位置不变时，随等效刚度比增加，θ 1/θ 2 比值增加，γ e<1时，θ 1/θ 2基本上<1；同样等效刚度比情况下，转换 层位置越高，θ 1/θ 2比值增加。在γ e小于1.3的范围内，随γ e增加， θ 1/θ 2比值增大。γ e能基本反映转换层上下层层间位移角的变化情况。 图（b）可看出，转换层位置不变时，随γ e的增加，V2/V1增大。当 γ e<1时，不论转换层位置高低，V2/V1均较小，即转换层上、下层剪力 变化较小；当1<γ e<1.3时，V2/V1在5之内，转换层位置不同时V2/V1略 有不同，但差异不大。当γ e>1.3后，V2/V1值较大，即转换层框支部分 上、下剪力变化较大，转换层楼板受力较大。 结论：对带转换层的剪力墙结构，转换层上部结构与下部结构的等效刚度 比对转换层上、下层间位移角及剪力分布突变情况有较大影响，是影响 其抗震性能的主要因素。