復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文格式為Word版，下載可任意編輯——復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第9章繁雜高層建筑布局設(shè)計(jì)近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外高層建筑進(jìn)展急速，現(xiàn)代高層建筑向著體型繁雜、功能多樣的綜合性進(jìn)展。這一方面為人們供給了良好的生活環(huán)境和工作條件，表達(dá)了建筑設(shè)計(jì)的人性化理念；

另一方面也使建筑布局受力繁雜、抗震性能變差、布局分析和設(shè)計(jì)方法繁雜化。因此，從布局受力和抗震性能方面來(lái)說(shuō)，工程設(shè)計(jì)中不宜采用繁雜高層建筑布局，但實(shí)際工程中往往會(huì)遇到這些繁雜布局，如帶轉(zhuǎn)換層的布局、帶加強(qiáng)層的布局、錯(cuò)層布局和多塔樓布局等。為了使讀者對(duì)這些繁雜布局有所了解，本章簡(jiǎn)要介紹其受力特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法。

9.1帶轉(zhuǎn)換層高層建筑布局15在同一幢高層建筑中，沿房屋高度方向建筑功能有時(shí)會(huì)發(fā)生變化。如下部樓層用作商業(yè)、文化消遣，需要盡可能大的室內(nèi)空間，要求柱網(wǎng)大、墻體少；

中部樓層作為辦公用房，需要中等的室內(nèi)空間，可以在柱網(wǎng)中布置確定數(shù)量的墻體；

上部樓層作為賓館、住宅等用房，需要采用小柱網(wǎng)或布置較多的墻體，如圖9.1.1所示。為了得志上述使用功能要求，布局設(shè)計(jì)時(shí)，上部樓層可采用室內(nèi)空間較小的剪力墻布局，中部樓層可采用框架-剪力墻布局，下部樓層那么可布置為框架布局。為了實(shí)現(xiàn)這種布局布置，務(wù)必在兩種布局體系轉(zhuǎn)換的樓層設(shè)置水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件，即形成帶轉(zhuǎn)層的布局（structurewithtransferstory）。一般地，當(dāng)高層建筑下部樓層在豎向布局體系或形式上與上部樓層差異較大，或者下部樓層豎向布局軸線距離擴(kuò)大或上、下部布局軸線錯(cuò)位時(shí)，就轉(zhuǎn)換構(gòu)件公寓（小空間）（中、小空間）商業(yè)（大空間）務(wù)必在布局體系或形式變更的樓層設(shè)置布局轉(zhuǎn)換層。

9.1.1轉(zhuǎn)換層的分類及主要布局形式1.轉(zhuǎn)換層的分類圖9.1.1建筑功能與布局布置（1）上、下部布局類型的轉(zhuǎn)換。在剪力墻布局或框架-剪力墻布局中，當(dāng)擬在底部設(shè)置商用房或其他需要較大空間的公用房間時(shí)，可以將全部剪力墻或片面剪力墻通過(guò)轉(zhuǎn)換層變?yōu)榭蚣懿季?，形成底部大空間剪力墻布局，這種用下部框架柱支承上部剪力墻的布局，亦稱為框支剪力墻布局。

（2）上、下部柱網(wǎng)和軸線的變更。在筒中筒布局中，外框筒為密柱深梁，無(wú)法為建筑物供給較大的出入口，此時(shí)可沿外框筒周邊柱列設(shè)置轉(zhuǎn)換層使下部柱的柱距擴(kuò)大，形成大柱網(wǎng)，以得志設(shè)置較大出入口的需要，但轉(zhuǎn)換層上、下部的布局類型并沒(méi)有變更。

（3）上、下部布局類型和柱網(wǎng)均變更。在框支剪力墻布局中，上部樓層一般為住宅建筑，采用適合于住宅平面組合軸線布置的剪力墻布局體系，而下部樓層一般為商用房，可能采用大空間軸線布置的框架布局體系。這種布局體系不僅上、下部布局類型不同，而且上、下部的軸線也不確定對(duì)齊，需要設(shè)置轉(zhuǎn)換層來(lái)實(shí)現(xiàn)力的傳遞。實(shí)際工程中的帶轉(zhuǎn)換層高層建筑布局多為這種處境。

2.轉(zhuǎn)換層的主要布局形式從轉(zhuǎn)換層布局的概念來(lái)看，建筑物上部布局與地基之間的根基也是一種轉(zhuǎn)換布局。因此，鋼筋混凝土梁式、板式根基（包括柱下條形根基、交錯(cuò)梁根基、筏形根基、箱形根基等）的布局形式也可作為建筑物上部布局之間的轉(zhuǎn)換層布局形式。

目前，工程中應(yīng)用的轉(zhuǎn)換層布局形式主要有：梁式、斜桿桁架式、空腹桁架式、箱形和板式等，如圖9.1.2所示。

（a）（b）（c）（d）（e）（f）（g）圖9.1.2轉(zhuǎn)換層布局形式梁式轉(zhuǎn)換層[圖9.1.2（a）]具有傳力直接、明確、受力性能好、構(gòu)造簡(jiǎn)樸和施工便當(dāng)?shù)葍?yōu)點(diǎn)，一般應(yīng)用于底部大空間剪力墻布局體系中，是目前應(yīng)用最多的一種轉(zhuǎn)換層布局形式。轉(zhuǎn)換梁可沿縱向或橫向平行布置，當(dāng)需要縱、橫向同時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)，可采用雙向梁的布置方案[圖9.1.2（f）]。

當(dāng)上、下部柱網(wǎng)軸線錯(cuò)開(kāi)較多，難以用梁直接承托時(shí)，那么可作成厚板，形成板式轉(zhuǎn)換層[圖9.1.2（g）]。板式轉(zhuǎn)換層的下層柱網(wǎng)可以生動(dòng)布置，施工簡(jiǎn)樸，但自重大，材料花費(fèi)較多。在梁式轉(zhuǎn)換層布局中，當(dāng)轉(zhuǎn)換梁跨度很大且承托層數(shù)較多時(shí)，轉(zhuǎn)換梁的截面尺寸將很大，造成結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上升，布局方案不合理。另外，采用轉(zhuǎn)換梁也不利于大型管道等設(shè)備系統(tǒng)的布置和轉(zhuǎn)換層建筑空間的充分利用。因此，采用桁架布局代替轉(zhuǎn)換梁作為轉(zhuǎn)換層布局是一種較為合理可行的方案。桁架式轉(zhuǎn)換層具有受力性能好，布局自重較輕、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好以及充分利用建筑空間等優(yōu)點(diǎn)，但其構(gòu)造和施工繁雜。這種轉(zhuǎn)換層有斜桿桁架式[圖9.1.2（b）]、空腹桁架式[圖9.1.2（c）]等。

單向托梁或雙向托梁與其上、下層較厚的樓板共同工作，可以形成整體剛度很大的箱形轉(zhuǎn)換層[圖9.1.2（d）]。箱形轉(zhuǎn)換層是利用原有的上、下層樓板和剪力墻經(jīng)過(guò)加強(qiáng)后組成的，其平面內(nèi)剛度較單層梁板布局大得多，但一般較厚板轉(zhuǎn)換層平面內(nèi)剛度小，改善了帶轉(zhuǎn)換層高層建筑布局的整體受力性能。箱形轉(zhuǎn)換層布局受力合理，建筑空間利用充分，實(shí)際中工程也有確定應(yīng)用。

轉(zhuǎn)換層采用深梁、實(shí)心厚板或箱形厚板，當(dāng)樓層面積較小時(shí)，轉(zhuǎn)換層剛度很大，可視為剛性轉(zhuǎn)換層；

當(dāng)采用斜腹桿桁架或空腹桿桁架、且樓層面積較大時(shí)，可視為彈性轉(zhuǎn)換層。

9.1.2布局布置對(duì)于帶轉(zhuǎn)換層高層建筑布局，由于轉(zhuǎn)換層剛度較其他樓層剛度大好多，質(zhì)量也相對(duì)較大，加劇了這種布局沿高度方向剛度和質(zhì)量的不平勻性；

另外，轉(zhuǎn)換層上、下部的豎向承重構(gòu)件不連續(xù)，墻、柱截面突變，導(dǎo)致傳力路線曲折、變形和應(yīng)力集中。因此，帶轉(zhuǎn)換層高層建筑布局的抗震性能較差，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)通過(guò)合理的布局布置改善其受力和抗震性能。

1.底部轉(zhuǎn)換層的設(shè)置高度帶轉(zhuǎn)換層的底層大空間剪力墻布局于20世紀(jì)80年頭開(kāi)頭在我國(guó)應(yīng)用，后來(lái)這種布局急速進(jìn)展。目前帶轉(zhuǎn)換層高層建筑布局在地面以上的大空間層數(shù)一般為2～6層，有些工程已做到7～10層。

國(guó)內(nèi)有關(guān)單位研究了轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度對(duì)這種布局抗震性能的影響。研究結(jié)果說(shuō)明，底部轉(zhuǎn)換層位置越高，轉(zhuǎn)換層上、下剛度突變?cè)酱?，轉(zhuǎn)換層上、下構(gòu)件內(nèi)力的突變?cè)綇?qiáng)烈；

此外，轉(zhuǎn)換層位置越高，轉(zhuǎn)換層上部鄰近的墻體輕易破壞，落地剪力墻或筒體易展現(xiàn)受彎裂縫，從而使框支柱的內(nèi)力增大，對(duì)布局抗震不利?？傊D(zhuǎn)換層位置越高，這種布局的抗震性能越差。因此，底部大空間片面框支剪力墻高層建筑布局在地面以上的大空間層數(shù)，設(shè)防烈度為7度和8度時(shí)分別不宜超過(guò)5層和3層，6度時(shí)其層數(shù)可適當(dāng)增加。另外，對(duì)于底部帶轉(zhuǎn)換層的框架-核心筒布局和外筒為密柱框架的筒中筒布局，由于其轉(zhuǎn)換層上、下剛度突變不明顯，上、下構(gòu)件內(nèi)力的突變程度也小于片面框支剪力墻布局，轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度對(duì)這兩種布局的影響較片面框支剪力墻布局小，所以對(duì)這兩種布局，其轉(zhuǎn)換層位置可比上述規(guī)定適當(dāng)提高。當(dāng)?shù)撞繋мD(zhuǎn)換層的筒中筒布局的外筒為由剪力墻組成的壁式框架時(shí)，其轉(zhuǎn)換層上、下部的剛度和內(nèi)力突變程度與片面框支剪力墻布局較接近，所以其轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度的限值宜與片面框支剪力墻布局一致。

2.轉(zhuǎn)換層上部布局與下部布局的側(cè)向剛度操縱轉(zhuǎn)換層下部布局的側(cè)向剛度一般小于其上部布局的側(cè)向剛度，但假設(shè)二者相差懸殊，那么會(huì)使轉(zhuǎn)換層下部形成柔嫩層，對(duì)布局抗震不利。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)操縱轉(zhuǎn)換層上、下部布局的側(cè)向剛度比，使其位于合理的范圍內(nèi)。

（1）底部大空間為1層時(shí)，轉(zhuǎn)換層上、下部布局等效剪切剛度比γ可按以下公式計(jì)算：

γ=G2A2/h2G1A1/h1=G2A2h1G1A1h2（9.1.1）Ai=Awi+CiAcihiC=2.5(hci)2i(i=1,2)(i=1,2)（9.1.2）（9.1.3）式中，G1、G2分別表示底層和轉(zhuǎn)換層上層的混凝土剪變模量；

A1、A2分別表示底層和轉(zhuǎn)換層上層的折算抗剪截面面積，可按式（9.1.2）計(jì)算；

Awi為第i層全部剪力墻在計(jì)算方向的有效截面面積（不包括翼緣面積）；

Aci表示第i層全部柱的截面面積；

hi,hci分別表示第i層的層高和柱沿計(jì)算方向的截面高度。

當(dāng)?shù)趇層各柱沿計(jì)算方向的截面高度不相等時(shí)，可分別計(jì)算各柱的抗剪截面面積。為了防止底層剛度突變，γ值宜接近于1（較難實(shí)現(xiàn)），非抗震設(shè)計(jì)時(shí)γ值不應(yīng)大于3，抗震設(shè)計(jì)時(shí)值不應(yīng)大于2。亦即底層的側(cè)向剛度不應(yīng)小于標(biāo)準(zhǔn)層的1/3（非抗震設(shè)計(jì)）和1/2（抗震設(shè)計(jì)）。

（2）當(dāng)?shù)撞看罂臻g層數(shù)大于1層時(shí)，其轉(zhuǎn)換層上部與下部布局的等效側(cè)向剛度比γe可采用圖9.1.3所示的計(jì)算模型并按下式計(jì)算：

γe=Δ1/H1Δ2/H2=Δ1H2Δ2H1（9.1.4）式中，γe表示轉(zhuǎn)換層上、下布局的等效側(cè)向剛度比；

H1表示轉(zhuǎn)換層及其下部布局[圖9.1.3（a）]的高度；

H2表示轉(zhuǎn)換層上部若干層布局[（圖9.1.3（b）]的高度，其值應(yīng)等于或接近于高度H1，且不大于H1；

Δ1表示轉(zhuǎn)換層及下部布局[圖9.1.3（a）]的頂部在單位水平力作用下的側(cè)向位移；

Δ2表示轉(zhuǎn)換層上部若干層布局[（圖9.1.3（b）]的頂部在單位水平力作用下的側(cè)向位移。

按式（9.1.4）確定的γe值宜接近于1；

非抗震設(shè)計(jì)時(shí)，γe值不應(yīng)大于2；

抗震設(shè)計(jì)時(shí)，γe值不應(yīng)大于1.3。

帶轉(zhuǎn)換層高層建筑布局除應(yīng)得志上述的等效側(cè)向剛度比要求外，還應(yīng)得志以下樓層側(cè)向剛度比要求：當(dāng)轉(zhuǎn)換層設(shè)置在3層及3層以上時(shí)，其樓層側(cè)向剛度尚不應(yīng)小于相鄰上部樓層側(cè)向剛度的60%。這是為了防止展現(xiàn)下述不利處境，即轉(zhuǎn)換層的下部樓層側(cè)向剛度較大，而轉(zhuǎn)換層本層的側(cè)向剛度較小，這時(shí)等效側(cè)向剛度比γe雖能得志限值要求，但轉(zhuǎn)換層本身側(cè)向剛度過(guò)于柔嫩，形成豎向嚴(yán)重不規(guī)矩布局。

H1轉(zhuǎn)換層P=1D1H轉(zhuǎn)換構(gòu)件D2P=1（a）（b）圖9.1.3轉(zhuǎn)換層上、下等效側(cè)向剛度計(jì)算模型應(yīng)當(dāng)指出，式（9.1.4）是用轉(zhuǎn)換層上、下層間側(cè)移角（Δi/Hi）比來(lái)描述轉(zhuǎn)換層上、下部布局的側(cè)向剛度變化處境。此法能夠考慮抗側(cè)力構(gòu)件的布置問(wèn)題（如在布局單元內(nèi)，抗側(cè)力構(gòu)件的位置不同，其對(duì)樓層側(cè)向剛度的付出不同），以及構(gòu)件的彎曲、剪切和軸向變形對(duì)側(cè)向剛度的影響，因此是一個(gè)較合理的方法；

而式（9.1.1）僅考慮了層間豎向構(gòu)件的數(shù)量以及構(gòu)件的剪切變形。但是，按式（9.1.4）計(jì)算γe時(shí)，要求H2不大于H1，這對(duì)于底部大空間只有1層的處境是難以得志的，所以只能用式（9.1.1）確定γ。當(dāng)然，H2接近H1時(shí)，也可用式（9.1.4）確定底層大空間剪力墻的等效側(cè)向剛度比。

3.轉(zhuǎn)換構(gòu)件的布置在高層建筑布局的底部，當(dāng)上部樓層片面豎向構(gòu)件（剪力墻、框架柱）不能直接連續(xù)貫串落地時(shí)，應(yīng)設(shè)置布局轉(zhuǎn)換層，并在布局轉(zhuǎn)換層布置轉(zhuǎn)換布局構(gòu)件。轉(zhuǎn)換布局構(gòu)件可采用梁、桁架、空腹桁架、箱形布局、斜撐等。由于厚板轉(zhuǎn)換層的板厚很大，質(zhì)量相對(duì)集