第9章复杂高层建筑结构设计课件.ppt

高层建筑结构 第9章 复杂高层建筑结构设计,主讲 卓博华闽南理工学院,（土木工程专业）,9.1带转换层的高层建筑结构,9.2带加强层的高层建筑结构,9.3错层结构,2,第9章 复杂高层建筑结构设计,9.4连体结构,9.4多塔结构, 近年来国内、外高层建筑发展迅速，现代高层建筑越建越高、越建越大，其建筑向着体型复杂、功能多样的综合性方向发展。,综合性多功能高层建筑示意,第9章 复杂高层建筑结构设计,9.1 带转换层高层建筑结构设计,建筑功能：上部需要小开间的轴线布置和需要较多的墙体以满足旅馆和住宅的功能要求；中部则需要小的或中等大小的室内空间，可以在柱网中布置一定数量的墙体以满足办公用房的功能要求；下部需要尽可能大的自由灵活的室内空间，要求柱网大、墙体尽量少，以满足商店、餐馆等公用设施的功能要求。,结构受力：由于高层建筑结构下部楼层受力很大，上部楼层受力较小，正常的结构布置应是下部刚度大，墙体多、柱网密，到上部渐渐减少墙、柱的数量，以扩大柱网。这样，结构的正常布置与建筑功能对空间的要求正好相反,为满足建筑功能的要求，结构必须进行“反常规设计”，即将上部布置小空间，下部布置大空间；上部布置刚度大的剪力墙，下部布置刚度小的框架柱。为了实现这种结构布置，就必须在结构转换的楼层设置结构转换层（structure transfer story），在结构转换层布置转换结构构件(transfer member)。,一般而言，当高层建筑下部楼层竖向结构体系或形式与上部楼层差异较大，或者下部楼层竖向结构轴线距离扩大或上部结构与下部结构轴线错位时，就必须在结构改变的楼层布置结构转换层，在结构转换层布置转换结构构件。,（一）结构转换层的建筑功能 在高层建筑中设置结构转换层可以实现以下建筑功能：1提供大的室内空间 在传统的剪力墙结构中，剪力墙间距小，适合于布置旅馆和住宅的客房层，当需要在底部布置商店、会议室、餐馆、文化娱乐及其它需要较大空间的公用房间时，可以将部分剪力墙通过转换层变为框支剪力墙，用框架柱代替剪力墙，形成大空间剪力墙结构以满足建筑功能的要求。 大空间剪力墙结构可以在建筑物下部一层或数层形成大空间。,9.1.1 转换层的功能及主要结构形式,9.1 带转换层高层建筑结构设计,2提供大的出入口 一般而言，框架核心筒结构和外围为密柱框架的筒中筒结构的内筒从上到下不需作什么变化，需要转换的主要是外筒。由于外框筒常常布置34m的柱距，无法为建筑物提供较大的入口，为了布置大的入口，要求在底部布置水平转换构件以扩大柱距。此时，转换构件沿建筑平面周边柱列或角筒布置。,9.1 带转换层高层建筑结构设计,（二）结构转换层的分类 从结构角度看，结构转换层主要实现以下结构转换：1、上层和下层结构类型的转换 转换层将上部剪力墙转换为下部框架，以创造一个较大的内部自由空间。这种转换层广泛用于剪力墙结构和框架-剪力墙结构中，称这种类型的转换层为第I类转换层（图6-3中的转换层）。2、上层和下层柱网、轴线的改变 转换层上、下层的结构形式没有改变，通过转换层使下部柱的柱距扩大，形成大柱网。这种转换层常用于框架核心筒结构和外围密柱框架的筒中筒结构的底部形成大入口的情况，称这种类型的转换层为第类转换层（图6-3中的转换层）。 3、同时转换结构形式和结构轴线位置 上部楼层剪力墙结构通过转换层改变为框架的同时，柱网轴线与上部楼层的轴线错开，形成上、下结构错位的布置，称这种类型的转换层为第类转换层。,图6-3 转换层的结构功能,9.1 带转换层高层建筑结构设计,（a）1-3层平面,（b）标准层平面,广州金鹰大厦（第I类转换层）,（a）15层平面,（b）标准层平面,北京军队离休干部活动中心（图6-5），地下2层，地上21层，建筑总高度H=76.8m。5层以上为大开间剪力墙结构，15层部分剪力墙转换为框支柱，形成较大室内空间以设置公共部分。,北京军队离休干部活动中心（第I类转换层）,（a）五层平面,（b）标准层,香港新鸿基中心 （第类转换层）,(a) 转换层以下平面,(b) 转换层以上平面,南京新世纪广场工程（第类转换层）,高层建筑上部立面收进时需要设置转换构件，上、下层柱不在同一轴线上，且往往是高位转换，转换构件布置比较复杂，要根据结构布置的具体情况采用不同的转换方式和转换构件，其中常用的是斜柱转换构件。,沈阳华利广场为多边形高层钢筋混凝土结构，33层，高115m，上部为公寓，中间走道环向布置了柱子，到下部办公楼层时，取消环向走道及其环向柱子，采用了斜撑式的转换构件将上部环向柱子的荷载传递到内筒上（图6-8），楼板内布置钢筋环梁，抵抗斜撑推力。,沈阳华利广场（第类转换层）,(a) 15层平面,（b）628层平面,深圳华侨大酒店（第类转换层）,二、转换层的主要结构形式,从结构转换层的概念来看，建筑物上部结构与地基间的基础，广义上讲也是一种结构转换层。因此，钢筋混凝土梁式、板式基础（包括柱下条形基础、交梁基础、片筏基础以及箱形基础）的结构形式同样可作为建筑物上部结构之间的转换结构形式。,图转换结构构件,9.1 带转换层高层建筑结构设计,内部大空间转换层的结构形式,(a)桁架；（b）箱形；（c）空腹桁架；（d）托梁；（e）双向梁；（f）板式,9.1 带转换层高层建筑结构设计,外部形成大入口的转换层,(a)转换梁(转换墙)；(b)转换桁架；(c)转换空腹桁架；(d)多梁转换；(e)合柱；(f)转换拱,国内外筒的转换最常见的做法是转换梁或转换桁架,9.1 带转换层高层建筑结构设计,平面和空间斜柱转换,高层建筑上部立面收进时，上层柱、下层柱不在同一轴线上，转换构件常用的是斜柱式的转换构件。采用斜柱转换方式和转换构件的实际工程有：沈阳华利广场、武汉世界贸易大厦主楼等。,9.1 带转换层高层建筑结构设计,三、带转换层高层建筑结构布置,一、底部转换层的设置高度 结构转换层可根据其建筑功能和结构传力的需要，沿高层建筑高度方向一处或多处灵活布置（也可根据建筑功能的要求，在楼层局部布置转换层），且自身的这个空间既可作为正常使用楼层，也可作为技术设备层。 转换层位置较高时，易使框支剪力墙结构在转换层附近的刚度、内力发生突变，并易形成薄弱层，其抗震设计概念与底层框支剪力墙结构有一定的差别。转换层位置较高时，转换层下部的落地剪力墙及框支结构易于开裂和屈服，转换层上部几层墙体易于破坏。转换层位置较高的高层建筑不利于抗震。 高层建筑混凝土结构设计规程（JGJ3-2010）规定：对部分框支剪力墙结构，转换层设置高度，8度时不宜超过3层，7度时不宜超过5层，6度时其层数可适当增加。 对底部带转换层的框架核心筒结构和外筒为密柱框架的筒中筒结构，由于其转换层上、下部结构的刚度突变不明显，转换层上、下内力传递途径的突变也小于框支剪力墙结构，转换层设置高度对这种结构虽有影响，但不如框支剪力墙结构严重，因此这种结构的转换层位置可比框支剪力墙结构适当提高。,9.1 带转换层高层建筑结构设计, 当底部带转换层的筒中筒结构的外筒为由剪力墙组成的壁式框架时，其转换层上、下的刚度突变及内力传递途径突变的程度与框支剪力墙结构比较接近，其转换层设置高度的限制宜与框支剪力墙结构相同。 对大底盘多塔楼的商住建筑，塔楼的转换层宜设置在裙房的屋面层，并加大屋面梁、板尺寸和厚度，以避免中间出现刚度特别小的楼层，减小震害。,任意层形成大空间或改变柱列的转换层,(a)巨型框架结构；(b)错列墙梁结构；(c) 错列桁架结构；(d) 错列剪力墙结构；(e)迭层承托桁架结构；(f)多梁承托方案,9.1 带转换层高层建筑结构设计,二、转换层上、下刚度突变的控制 带转换层高层建筑结构设计时应控制转换层上、下层结构的等效刚度比。,9.1 带转换层高层建筑结构设计,9.1 带转换层高层建筑结构设计,转换层上、下等效侧向刚度计算模型,（a）计算模型1转换层及下部结构；（b）计算模型2转换层上部结构,为防止出现转换层下部楼层刚度较大，而转换层本层的侧向刚度较小，此时，等效刚度比虽能满足限值的要求，但转换层本层的侧向刚度过于柔软。高层建筑混凝土结构设计规程（JGJ3-2002）规定：转换层结构除应满足上述等效剪切刚度或等效侧向刚度比要求外，还应满足楼层侧向刚度比的要求：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%。,9.1 带转换层高层建筑结构设计,（三）转换构件的布置 转换层结构中转换构件的布置必须与相邻层柱网统一考虑。,图6-18 转换结构构件的平面布置,把转换构件布置在平面周边柱列或角筒上（图6-18a、b）内部要求尽量敞开自由空间，转换构件可沿横向平行布置（图6-18c）转换构件可沿纵向平行布置（图6-18d）当需要纵、横向同时转换时，转换构件可采用双向布置（图6-18e）间隔布置，并与相邻层错开布置（图6-18f）,9.1 带转换层高层建筑结构设计,图6-18 转换结构构件的平面布置,顺建筑平面柱网变化而合理布置（图6-18g）相邻层互相垂直布置（图6-18h）围绕巨大芯筒在底层四周自由敞开时，转换构件布置在两个方向的剪力墙上，并向两端悬挑（图6-18i）必要的话可对角线布置（图6-18j）建筑平面及芯筒为圆形时，可放射性布置（图6-18k）。,9.1 带转换层高层建筑结构设计, 转换层上部的竖向抗侧力构件（墙、柱）宜直接落在转换层的主要结构上，且转换层上部结构应尽可能地落到转换梁的中面上，以避免转换梁受到很大的扭矩。 转换构件布置时，应尽量避免出现框支主梁承托剪力墙并承托转换次梁及次梁上的剪力墙的方案。考虑到框支主梁除承受其上部剪力墙的作用外，还需承受次梁传给的剪力、扭矩和弯矩，框支柱易受剪破坏。 因此，B级高度框支剪力墙结构不宜采用框支主、次梁方案； A级高度框支剪力墙结构可以采用，但设计中应对框支剪力墙进行应力分析，按应力校核配筋，并加强配筋构造措施。,9.1 带转换层高层建筑结构设计,（四）剪力墙、筒体和框支柱的布置 落地剪力墙、筒体和框支柱的布置对于防止转换层下部结构在地震中发生严重破坏或倒塌将起着十分重要的作用。必须特别注意落地剪力墙、筒体和框支柱的布置。为此，应采取措施防止转换层下部结构发生破坏,图6-19 底部大空间剪力墙结构,1、带转换层的筒体结构的内筒应全部上、下贯通落地并按刚度要求增加墙厚度；框支剪力墙结构要有足够的剪力墙上、下贯通落地并按刚度要求增加墙厚度。 与建筑协调，争取尽可能多的剪力墙、筒体落地，且落地纵向、横向剪力墙最好成组布置，组合为落地筒体（图6-19）。加大落地剪力墙、筒体底部墙体的厚度，尽量增大落地剪力墙、筒体的截面面积。 落地剪力墙、筒体数量本来就不多，所以尽量不开洞，开小洞，以免刚度削弱太大。若需开洞，洞口宜布置在落地剪力墙、筒体墙体的中部。,9.1 带转换层高层建筑结构设计,5、转换层上部结构与下部结构的等效剪切刚度（等效侧向刚度）比应满足高层建筑混凝土结构设计规程（JGJ3-2010）要求，以控制刚度突变，减小内力突变程度，缩短转换层上、下结构内力传递途径。,9.1 带转换层高层建筑结构设计,带转换层的底层大空间剪力墙结构的研究和工程应用始于70年代中期；20世纪90年代的十年间，底部带转换层的大空间剪力墙结构迅速发展，在地震区许多工程的转换层位置已较高，目前国内已建工程底部大空间的通常最多层数为：8度抗震设计时，3-4层；7度抗震设计时，5层；6度抗震设计时，6-7层，但一般情况下为1-3层。,图6-21 深圳荔景大厦（23层，底部9层框支剪力墙结构）,9.1.2 梁式转换层高层结构设计,9.1 带转换层高层建筑结构设计,底部带转换层的高层建筑设置的转换结构构件可采用转换梁、转换桁架、空腹桁架、箱形结构、厚板等。 梁式转换层结构在实际工程中的应用较广，对国内、外150余幢带转换层的高层建筑结构的统计表明，有93幢采用梁式转换层高层建筑结构，约占60%。,梁式转换层的结构类型,9.1 带转换层高层建筑结构设计,一、一般原则 带转换层高层建筑结构是一种受力复杂、不利抗震的高层建筑结构，结构设计需遵循的一般原则如下： 1、减少转换布置 布置转换层上、下主体竖向结构时，要注意尽可能多的布置成上、下主体竖向结构连续贯通，尤其是在框架核心筒结构中，核心筒宜尽量予以上、下贯通。 2、传力直接 布置转换层上、下主体竖向结构时，要注意尽可能使水平转换结构传力直接，尽量避免多级复杂转换，更应尽量避免传力复杂、抗震不利、质量大、耗材多、不经济、不合理的厚板转换。 3、强化下部、弱化上部 为保证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刚度，弱化转换层上部主体结构刚度，使转换层上、下部主体结构的刚度及变形特征尽量接近。 对于下部核心筒框架、上部剪力墙的带转换层高层商住楼结构，应强化下部核心筒，如加大筒体尺寸、加厚筒壁厚度、加高混凝土强度等级，必要时可在房屋周边增置部分剪力墙;同时弱化上部剪力墙，如剪力墙开洞、开口、短肢、薄墙等，并尽量避免高位转换。,9.1 带转换层高层建筑结构设计,4、优化转换结构 抗震设计时，当建筑功能需要不得已高位转换时，转换结构还宜优先选择不致引起框支柱(边柱)柱顶弯矩过大、柱剪力过大的结构形式，如斜腹杆桁架(包括支撑)、空腹桁架和宽扁梁等，同时要注意其需满足承载力、刚度要求，避免脆性破坏。 5、计算全面准确 必须将转换结构作为整体结构中一个重要组成部分，采用符合实际受力变形状态的正确计算模型进行三维空间整体结构计算分析。采用有限元方法对转换构件进行局部应力分析。二、底部大空间剪力墙结构的计算 （一）水平力在各片剪力墙之间的分配 带转换层高层建筑结构，在结构内力与位移整体计算后应采用有限元法对简化处理的转换结构构件进行应力分析，保证转换结构构件计算分析的可靠性。 带转换层高层建筑结构整体计算分析时，应采用至少两种不同力学模型的三维空间分析软件（空间杆系、空间杆薄壁杆系、空间杆墙元及其他组合有限元等计算模型）进行整体内力和位移计算。抗震计算时，宜考虑平扭藕连计算结构的扭转效应，振型数不应小于15，对多塔楼结构的振型数不应小于塔楼数的9倍，且计算振型数应使振型参与质量不小于总质量的90%；应采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算,9.1 带转换层高层建筑结构设计,图6-23 水平力在各片剪力墙之间的分配,整体分析结果表明，底部大空间剪力墙结构以转换层为分界，上、下两部分的内力分布规律是不同的(图6-23)。,9.1 带转换层高层建筑结构设计,由于目前底层大空间剪力墙结构计算机分析采用的三维空间分析程序或协同工作分析程序都采用了转换层楼板平面内刚度为无穷大的假定，因而得到转换层楼层所有框支柱和剪力墙的位移相等、水平力按框支柱和落地剪力墙的刚度比例分配而产生的。在底部大空间层，由于框支柱的刚度很小，往往不足落地剪力墙刚度的1%，因此水平剪力集中到落地剪力墙上，几乎为百分之百；框支柱的剪力很小，接近于零。 根据底层大空间剪力墙结构试验研究表明：转换层楼板要完成上、下层剪力的重新分配，在自身平面内受力很大，楼板有显著大变形。楼板的变形将使大空间部分框支柱的位移增大，从而使框支柱的剪力比计算值大3-5倍，甚至更多。 因此，底部大空间楼层框支柱的内力不能直接采用按楼板平面内刚度为无穷大假定的计算结果。也就是说，采用目前三维空间分析程序或协同工作分析程序的计算机方法和手算方法，都要加以修正。,9.1 带转换层高层建筑结构设计, 每层框支柱的数目10根的场合 当框支层为1-2层时,每根柱所受的剪力至少取基底剪力的2% 当框支层为3层及3层以上时,每根柱所受的剪力至少取基底剪力的3% 每层框支柱的数目10根的场合 当框支层为1-2层时,每层框支柱承受剪力之和应取基底剪力的20% 当框支层为3层及3层以上时,每层框支柱承受剪力之和应取基底剪力的30%,调整原则:,9.1 带转换层高层建筑结构设计,（二）框支剪力墙的工作特点,9.1 带转换层高层建筑结构设计,图6-27 双跨框支梁中内力的分布规律,9.1 带转换层高层建筑结构设计,（b）单跨框支梁、柱内力,9.1 带转换层高层建筑结构设计,分析表明，无论框支梁上部墙体的形式如何，只要墙体存在一定长度，框支梁中的弯矩就会较不考虑上部墙体作用的要小，相应墙体下的框支梁就有一段范围出现受拉区。 出现这一现象的主要原因有： 墙、框支梁作为一个整体共同弯曲变形，框支梁处于这整体弯曲的受拉翼缘，若单独分析框支梁，其所受的弯矩由于剪力墙的共同工作而大大降低，同时，由于处于受拉翼缘，应力积分后框支梁中就会出现轴向拉力。这种整体弯曲会随着上部墙肢长度变短而影响范围迅速缩小，当上部墙体为小墙肢时，这种影响只限于小墙肢下较小的范围内。 形成框支梁内力特点的另一主要原因是拱的传力作用。由于竖向传力拱作用的存在，使得上部墙体上的竖向荷载传到转换梁时，很大一部分荷载以斜向荷载的形式作用于梁上，若将这斜向荷载分解为垂直和水平等效荷载形式，则垂直荷载作用下的弯矩肯定要比不考虑墙体作用时要小，在水平荷载作用下，就形成了框支梁跨中一定区域受轴向拉力而支座区域受轴向压力的现象。 框支梁的最终受力状态是由于上述两个因素综合影响的结果。,9.1 带转换层高层建筑结构设计,图6-30 框支梁受力机理示意图,9.1 带转换层高层建筑结构设计, 框支梁与一般转换梁有何区别和联系？ 习惯上，框支梁一般指部分框支剪力墙结构中支承上部不落地剪力墙的梁，是有了“框支剪力墙结构”，才有了框支梁。高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）第10.2.1条所说的转换构件中，包括转换梁，转换梁具有更确切的含义，包含了上部托柱和托墙的梁，因此，传统意义上的框支梁仅是转换梁中的一种。 框支剪力墙中的框支梁部分墙体一般开设大洞口，形成大空间，以上部分为实体剪力墙或在适当位置开有小洞的剪力墙。而一般转换结构在转换梁以下部分抽去了柱子，形成大空间，以上则为框架柱或短肢剪力墙。框支梁和一般转换梁两者虽都为转换构件，但受力性能很不一样，内力及配筋计算和构造设计上也有很大的区别。 从受力角度看 在竖向荷载作用下，框支剪力墙转换层以上的墙体有拱效应，两支座处竖向应力大，同时有水平向应力（推力），中间则会出现拉应力。框支梁在竖向荷载作用下除了有弯矩、剪力外，还有轴向拉力。沿梁全长拉应力不均匀，跨中拉力大，支座处减小，有洞口处拉力更小。框支柱除了有弯矩、轴力外，还承受较大的剪力。 一般转换梁在竖向荷载下的受力和一般跨中有集中力作用的框架梁相同，仅仅由于跨度大，跨中又有很大的集中荷载，故梁端和跨中的弯矩、剪力都很大，但无轴向拉力。柱子的剪力较小。节点的不平衡弯矩完全按相交于该节点的梁、柱的刚度分配。柱为偏压构件。,9.1 带转换层高层建筑结构设计, 从竖向刚度变化看，框支剪力墙转换层框支梁以上为抗侧力刚度很大的剪力墙，与下面的框支柱抗侧力刚度差异很大，而一般转换梁上下层仅柱子根数略有变化，其竖向刚度差异不大，故在水平荷载下框支剪力墙转换层和一般转换层两者的内力差异很大。 从转换层楼板的作用看，框支转换层楼板传递水平力，协助框支梁受拉；一般转换梁楼板仅加大水平刚度，不传递水平力。 从构件配筋看，两者的最大区别是：框支梁为拉、弯、剪构件，正截面承载力按偏心受拉计算，斜截面承载力按拉、剪计算。而一般转换梁为弯、剪构件，正截面承载力按纯弯计算，斜截面承载力按受剪计算。框支梁以上墙体与一般剪力墙的配筋构造也不同。 框支梁和一般转换梁在构造做法上也有很大的区别。,9.1 带转换层高层建筑结构设计,综上所述 部分框支剪力墙结构应遵守高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）关于底部转换层设置高度的规定，但对一般转换梁，特别是仅为局部转换时，结构竖向刚度变化不大，转换层上、下内力传递途径的突变也小于部分框支剪力墙结构，故不应受高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）关于底部转换层的设置高度的规定的限制。 还应注意 当结构在两个主轴方向的转换类型不同时，在一个方向为框支转换，另一方向为抽柱转换，此时应分别处理：在一个方向为框支柱，另一方向为落地墙的端柱，计算框支柱数量时，两个方向应区别对待。,9.1 带转换层高层建筑结构设计,（三）梁式转换层结构的内力计算 托墙形式的梁式转换层结构的内力计算方法主要有梁杆系模型分析法和有限元模型分析两种。 1、梁杆系模型 带梁式转换层高层建筑结构分析时，直接用三维空间分析程序（空间杆系、空间杆薄壁杆系、空间杆墙元及其他组合有限元等计算模型）进行整体结构内力分析，求得转换梁的内力作为设计依据。按梁杆系模型分析时，剪力墙肢作为柱单元考虑，转换梁按一般梁杆模型处理，计算时在上部剪力墙和下部柱之间设置转换梁，墙肢与转换梁连结，而不考虑转换梁与上部墙体的共同工作(图6-31)。,图6-31 转换梁的杆系模型,9.1 带转换层高层建筑结构设计,分析表明，采用杆系模型分析得到的转换梁的内力与按高精度平面有限元程序计算结果相差很大，往往是异常的。,图6-32 转换梁的修正杆系模型,9.1 带转换层高层建筑结构设计,2、梁有限元模型(1) 有限元分析范围 梁式转换层结构有限元分析时，计算简图可取转换梁附近净跨范围内的墙体（从实际工程设计的经验来看，约为转换梁附近3-4层墙体）和下部一层结构作分析模型，其计算精度已满足设计要求 实际工程中转换梁的常用跨度为(6 -12)m，而高层建筑结构标准层常用层高为(2.8-3.2)m，在此跨度和层高范围内，托墙形式的梁式转换层结构内力有限元分析可取其上部墙体3-4层，视这部分墙体连同转换梁组成的倒形深梁 转换梁下部结构层数对其控制截面的内力影响不大，在一般情况下，转换梁下部结构可取一层 单元网格划分 远离转换梁的墙体对转换梁的应力分布和内力大小影响很小，可考虑网格划分粗些 为较精确模拟墙体和转换梁之间较为复杂的相互作用关系，可考虑转换梁附近墙体的网格划分应细些 墙体开洞部位由于产生应力集中，网格也应划分细些 转换梁、柱由于尺寸相对较小，应力变化幅度大，为提高其应力和内力的计算精度，必须对其网格划分得相对细些,9.1 带转换层高层建筑结构设计, 为获得沿转换梁截面高度较为准确的应力分布规律，截面高度方向网格划分宜取6-8个等分。 若按下列公式计算转换梁的内力，则沿截面高度方向网格划分只需取3-5个等分即可,9.1 带转换层高层建筑结构设计,(3) 计算荷载 有限元分析的荷载可以直接取用结构整体空间分析的内力计算结果 荷载的取用原则 竖向荷载(重力荷载，8度抗震设计时转换构件应考虑竖向地震作用的影响) 计算简图顶部墙体上的竖向荷载取该层上部垂直荷载的累计值，其余各层的竖向荷载采用各自层的垂直荷载（图a）,9.1 带转换层高层建筑结构设计,图6-33 计算荷载,9.1 带转换层高层建筑结构设计,在确定上述计算荷载后，转换梁模型有限元分析时，一般采用以下两种荷载组合： 将重力荷载、风荷载和地震作用各工作情况分别作用于分析模型上，将有限元分析出的转换梁内力按高层建筑混凝土结构设计规程（JGJ3-2002）中基本组合的要求，对各种工作情况进行内力组合，求出各组内力最大值并进行相应的截面设计。 直接取用结构整体分析中的组合内力最大值（包括弯矩最大、轴力最大和剪力最大三组内力）作为有限元分析的计算荷载，分析中水平荷载和竖向荷载一次作用，算出三组转换梁内力分别进行截面设计，转换梁的配筋取用各相应部位的抗剪、抗弯最不利配筋。,9.1 带转换层高层建筑结构设计,(4) 支撑与侧向边界的简化 当转换梁一侧或两端支撑在筒体上时，采用平面有限元模型分析时可将筒体的影响用等效约束来表示，约束的处理方法如下： 当转换梁布置在筒体墙的中间时（图6-34 a），则可按(图6-34 b）进行计算简化,图6-34 支撑与侧向边界的简化,9.1 带转换层高层建筑结构设计, 当转换梁布置在筒体端部墙体上时（图6-35 a），则可按图6-35 b进行简化,图6-35 支撑与侧向边界的简化,9.1 带转换层高层建筑结构设计,(5) 支撑约束条件的简化 主要与转换梁下部框支层层数有关 当转换梁下部框支层仅有一层时，可考虑支柱下部取为固接 当转换梁下部框支层有二层或二层以上时，可考虑支柱下部取为铰接,（四）转换梁截面设计方法 目前国内结构设计工作者普遍采用的转换梁截面设计方法 :1、普通梁截面设计方法 直接取用高层建筑结构三维空间分析软件（空间杆系、空间杆薄壁杆系、空间杆墙元及其他组合有限元等）计算出的转换梁内力结果，按普通梁进行受弯构件承载力计算2、偏心受拉构件截面设计方法 将有限元分析得到的转换梁截面上的应力换算成截面内力，根据转换梁的截面内力（N，M）按偏心受拉构件进行正截面承载力计算，根据剪力V进行斜截面受剪承载力计算。,9.1 带转换层高层建筑结构设计,（四）转换梁截面设计方法 目前国内结构设计工作者普遍采用的转换梁截面设计方法 :1、普通梁截面设计方法 直接取用高层建筑结构三维空间分析软件（空间杆系、空间杆薄壁杆系、空间杆墙元及其他组合有限元等）计算出的转换梁内力结果，按普通梁进行受弯构件承载力计算2、偏心受拉构件截面设计方法 将有限元分析得到的转换梁截面上的应力换算成截面内力，根据转换梁的截面内力（N，M）按偏心受拉构件进行正截面承载力计算，根据剪力V进行斜截面受剪承载力计算。 3、深梁截面设计方法 实际工程中转换梁的高跨比hb/l=1/81/6，介于普通梁和深梁之间，尤其是 框支转换梁，其受力和破坏特征类似于深梁。 深梁截面设计方法的关键是如何选取倒T形深梁的截面高度以及如何确定截面的内力臂Z 确定深梁截面高度的步骤如下： 转换梁顶以上范围内的墙体（从实际工程设计的经验来看，约为转换梁附近3-4层墙体）与转换梁一起组成倒深梁 根据有限元计算结果，取转换梁与上部墙体所组成的卸载拱的高度为深梁的截面高度，其中卸载拱上部墙体中的应力分布基本上与标准层墙体中的应力分布相同 取上述 、两项的较大值作为深梁的截面高度。 计算出作用于倒T形深梁截面上的弯矩、剪力后，按深梁进行正截面及斜截面承载力计算,9.1 带转换层高层建筑结构设计,4、应力截面设计方法 直接应用转换梁有限元法分析后的应力大小及其分布规律进行截面的配筋计算，假定： 不考虑混凝土的抗拉作用，所有拉力由钢筋承担 钢筋达到其屈服强度设计值fy 受压区混凝土的强度达轴心抗压强度设计值fc,9.1 带转换层高层建筑结构设计,转换梁截面设计方法的选择 其受力性能及转换层结构形式相关1、托柱形式转换梁截面设计 当转换梁承托上部普通框架时，在转换梁常用截面尺寸范围内，转换梁的受力基本和普通梁相同，可按普通梁截面设计方法进行配筋计算。 当转换梁承托上部斜杆框架时，转换梁将承受轴向拉力，此时应按偏心受拉构件进行截面设计。2、托墙形式转换梁截面设计 当转换梁承托上部墙体满跨不开洞时，转换梁与上部墙体共同工作，其受力特征与破坏形态表现为深梁，此时转换梁截面设计方法宜采用深梁截面设计方法或应力截面设计方法，且计算出的纵向钢筋应沿全梁高适当分布配置。由于此时转换梁跨中较大范围内的内力比较大，故底部纵向钢筋不宜截断和弯起，应全部伸入支座。 当转换梁承托上部墙体满跨且开较多门窗洞或不满跨但剪力墙的长度较大时，转换梁截面设计也宜采用深梁截面设计方法或应力截面设计方法，纵向钢筋的布置则沿梁下部适当分布配置，且底部纵向钢筋不宜截断和弯起，应全部伸入支座。 当转换梁承托上部墙体为小墙肢时，转换梁基本上可按普通梁的截面设计方法进行配筋计算，纵向钢筋可按普通梁集中布置在转换梁的底部。,9.1 带转换层高层建筑结构设计,（五）底部大空间剪力墙结构的设计与构造要求一、适用范围 带转换层的高层建筑结构属于不规则结构，在竖向荷载、风荷载或水平地震作用下受力复杂，9度抗震设计时，由于对这种结构目前缺乏研究和工程实践经验，不应采用 转换结构构件采用梁、桁架、空腹桁架、箱形结构的高层建筑结构适用于非抗震设计和6度、7度及8度抗震设防区 转换构件采用厚板的高层建筑结构适用于非抗震设计和6度抗震设防地区 对于大空间地下室，因周围有约束作用，地震反应不明显，故7度、8度抗震设计的地下室的转换构件可采用厚板转换层 A级、B级高度首层或底部两层框支剪力墙结构的最大适用高度应符合下表的规定,9.1 带转换层高层建筑结构设计, 研究表明，B级高度的底部带转换层的筒中筒结构，当外筒由剪力墙构成的壁式框架时，其转换层上、下刚度和内力传递途经变化比较明显，因此，其最大适用高度比表中的规定的数值适当降低。 降低的幅度可根据抗震设防烈度、转换层位置高低等因素，具体研究确定，一般可考虑降低10%-20%,9.1 带转换层高层建筑结构设计,二、转换构件的内力调整 带转换层高层建筑，转换层上部楼层的部分竖向构件不能连续贯通至下部楼层，因此转换层是薄弱楼层，为保证转换构件的设计安全度并具有良好的抗震性能，底部带转换层结构的薄弱层的地震剪力应乘以1.15的增大系数，同时符合楼层最小地震剪力系数（剪重比）要求，即, 转换层的转换构件水平地震作用产生的计算内力需要调整增大： 特一级转换构件在水平地震作用下的计算内力应乘以增大系数1.8 一 级转换构件在水平地震作用下的计算内力应乘以增大系数1.5 二 级转换构件在水平地震作用下的计算内力应乘以增大系数1.25 8度抗震设计时，转换构件除考虑竖向荷载、风荷载或水平地震作用外，还应考虑竖向地震作用的影响 转换构件的竖向地震作用，可采用反应谱法或动力时程分析方法。作为近似考虑，也可将转换构件在重力荷载标准值作用下的内力乘以增大系数1.1,9.1 带转换层高层建筑结构设计,三、转换层楼板 转换层楼板要将上部剪力墙的水平剪力传递到落地剪力墙上去，其自身平面内受到很大的剪力，楼板变形显著 转换层楼板应采用现浇钢筋混凝土板，其厚度不宜小于180mm。 转换层楼板混凝土强度等级不应低于C30，并应采用双层双向配筋，每层每方向贯通钢筋的配筋率不宜小于0.25%，且在楼板边缘结合纵向框架梁或底部外纵墙予以加强，形成加配粗钢筋的边缘拉梁 不要在大空间范围内的楼板上开洞，如果必须在大空间部分设置楼梯间、电梯间时，应采用钢筋混凝土剪力墙围成筒体 框支层楼板的边缘和较大洞口周边应设置边梁，其宽度不应小于板厚的2倍，纵向钢筋的配筋率不应小于1.0%，钢筋接头宜采用机械连接或焊接，楼板的钢筋应锚固在边梁内 与转换层相邻楼层的楼板也应适当加强，楼板厚度不宜小于150mm，并宜双层双向配筋，每层每方向贯通钢筋配筋率不宜小于0.25%，且需在楼板边缘结合纵向框架梁或底部外纵墙予以加强,9.1 带转换层高层建筑结构设计,9.1 带转换层高层建筑结构设计,图6-38 框支层楼板与落地剪力墙相交截面示意图,9.1 带转换层高层建筑结构设计,四、框支梁1、框支梁的截面尺寸 框支梁与框支柱截面中线宜重合 当上部框支剪力墙门窗洞口规则排列且位于框支梁跨中部区域时，框支梁与其上部墙体的共同工作较强，框支梁的截面尺寸可按下列构造要求确定：, 框支梁的截面高度，抗震设计时不应小于1/6L，非抗震设计时不应小于1/8L（L为框支梁计算跨度）, 框支梁的截面尺寸是根据其抗剪承载力要求决定的，抗弯对截面的要求并不是控制因素。框支梁截面组合的最大剪力设计值应符合下列要求：,9.1 带转换层高层建筑结构设计, 框支梁可采用加腋梁，一方面可保证框支梁的抗剪承载力，另一方面也可有效地降低其截面尺寸，增加建筑物的使用空间 工程结构中框支梁可采用水平加腋（图6-39a）及垂直加腋（图6-39b）两种形式, 在估算框支梁截面时，考虑到框支梁上部受力的不对称性以及其它一些不利因素的影响，梁端部剪力设计值可按下列原则选取：,9.1 带转换层高层建筑结构设计,4、框支梁的纵向钢筋, 框支梁上、下主筋（纵向受力钢筋）的最小配筋率非抗震设计时为0.3%；抗震设计时，特一级、一级、二级抗震等级分别为0.6%、0.5%、0.4%。, 框支梁中主筋（纵向受力钢筋）不宜有接头；有接头时，宜采用机械连接，且同一截面内接头钢筋截面面积不应超过全部钢筋截面面积的50%。接头位置应避开上部剪力墙体开洞部位、梁上托柱部位及受力较大部位。, 由于框支梁为偏心受拉构件，其纵向钢筋按偏心受拉承载力计算确定。 其支座上部纵向钢筋至少应有50%沿梁全长贯通，框支梁不设弯起钢筋，下部主筋应全部贯通伸入柱内。,9.1 带转换层高层建筑结构设计, 伸入支座的全部钢筋都应在柱内可靠连接，梁上、下主筋和腰筋的锚固,9.1 带转换层高层建筑结构设计,6、框支梁的混凝土强度等级框支梁的混凝土强度等级不应低于C30。,9.1 带转换层高层建筑结构设计,五、转换梁 当上部无完整的剪力墙不满足上述框支梁条件时，或上部为短肢墙，或上部为小柱网框架时，框支梁应按转换梁设计。,9.1 带转换层高层建筑结构设计,9.1 带转换层高层建筑结构设计,六、框支柱1、地震作用下框支柱内力调整 剪力调整 按“强剪弱弯”的设计概念，对框支柱的截面剪力设计值应予以调整增大, 框支柱截面剪力增大是在柱端弯矩增大的基础上再增大，实际增大系数可取弯矩增大系数和剪力增大系数的乘积，即,9.1 带转换层高层建筑结构设计, 弯矩调整 按“强柱弱梁”的设计概念，框支柱柱端弯矩设计值应予以调整增大。, 轴力调整, 框支角柱的弯矩设计值和剪力设计值应分别在前述框支柱基础上乘以增大系数1.1,9.1 带转换层高层建筑结构设计,2、框支柱的截面尺寸 框支柱的截面尺寸由以下三方面条件确定： 最小构造尺寸,9.1 带转换层高层建筑结构设计, 抗剪承载力要求,如果框支柱不满足轴压比限值或抗剪承载力要求，则应加大截面尺寸或提高混凝土强度等级。,框支柱的混凝土强度等级不应低于C30。, 抗震设计时柱内全部纵向钢筋配筋率不宜大于4.0%,9.1 带转换层高层建筑结构设计,4、箍筋,5、框支柱节点区水平箍筋,框支柱节点核心区水平箍筋原则上可同框支柱箍筋配置，但当框支梁腰筋配置及拉筋可靠锚固时，可按下列要求设置水平箍筋、拉筋：,9.1 带转换层高层建筑结构设计,七、框支梁上部剪力墙、筒体1、上部剪力墙、筒体布置时，应注意其整体空间的完整性和延性，注意外 墙尽量设置转角翼缘，注意门窗洞尽量居于框支梁跨中，应尽量避免无连梁相连的延性较差的秃墙。满足上述条件的上部剪力墙、筒体轴压比限值见下表,2、振动台试验表明，底部带转换层的高层建筑结构中，当转换层位置较高时，落地剪力墙往往从其墙底部到转换层以上1-2层范围内出现裂缝，同时转换构件上部的1-2层剪力墙也出现裂缝或局部破坏。, 框支梁上部剪力墙、筒体的底部加强部位范围取转换构件上部二层,9.1 带转换层高层建筑结构设计,3、框支梁上一层剪力墙的配筋,9.1 带转换层高层建筑结构设计,4、框支梁上部的墙体开有边门洞时，洞边墙体宜设置翼缘墙、端柱或加厚（图6-44），并应按JGJ3-2002有关约束边缘构件的要求进行配筋设计。 当洞口靠近框支梁端部且梁的受剪承载力不满足要求时，可采取框支梁加腋或增大墙洞口连梁刚度等措施。,图6-44 框支梁上墙体有边门洞时洞边墙体的构造,9.1 带转换层高层建筑结构设计,5、转换梁与其上部墙体的水平施工缝处的抗滑移能力宜符合下列要求：,9.1 带转换层高层建筑结构设计,一、转换桁架结构型式 抗震设计时应避免高位转换，当建筑功能需要不得已高位转换时，转换结构还宜优先选择不致引起框支柱（边柱）柱顶弯矩过大、柱剪力过大的结构形式，采用桁架转换层结构是一种有效的方法。 转换桁架可采用等节间空腹桁架、不等节间空腹桁架、混合空腹桁架、斜杆桁架、迭层桁架等型式（图6-47）。 当采用空腹桁架、斜杆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，以减小因桁架下弦轴向变形过大而引起桁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。必要时，桁架上、下弦杆可同时采用预应力混凝土，以改善上弦节点的受力状态，提高节点的抗剪承载力。,9.1.3 桁架转换层结构设计,9.1 带转换层高层建筑结构设计, 采用转换桁架将框架核心筒结构、筒中筒结构的