转换层(加强层)结构形式及设计要点

1、研究生开题报告 转换层（加强层）结构形式及设计要点主讲：黄桂新导师：吴韶源研究生开题报告转换层（加强层）结构形式及设计要点 课题来源 转换层（加强层）结构定义及形式 转换层结构设计原则 转换层结构的计算模型 转换层结构的设计控制 展望一、课题来源图1.1 桁架转换形式1图1.2 桁架转换形式2关键杆件关键杆件一、课题来源结构形式比较项次二层边柱底端二层中柱底端端部斜撑杆中间斜撑杆形式1 轴力（KN）-4483-498-24912008形式2-4461385-3002628形式1弯矩（KNm）1992819.6-21形式243.53274274形式1剪力（KN）72-403.24.0形式2801

2、631.61.6 SATWE计算结果对比相差3倍多大偏拉柱，配筋大一、课题来源图1.3 桁架转换形式1图1.4 桁架转换形式2 两种形式结构的优缺点有哪些？高位转换，不利受拉柱外推柱低位转换受压柱内拉柱二、转换层（加强层）结构定义 转换层在高层建筑结构的底部，当上部楼层部分竖向构件（剪力墙、框架柱）不能直接连续贯通落地时，应设置结构转换层，在结构转换层布置转换结构构件。（高规10.2.1） 何为加强层呢？二、转换层（加强层）结构定义 加强层当框架-核心筒、筒中筒结构的侧向刚度不能满足要求时。可利用建筑避难层、设备层空间，设置适宜的水平伸臂构件，形成带加强层的高层建筑结构。（高规10.3.1）

3、无外伸桁架时，框架梁的变形大，不能有效地把力传递给框架柱。有效地把力传递给框架柱框架梁变形大二、转换层（加强层）结构定义 设置刚臂连接芯筒和外框架，增加抗推刚度(抵抗倾覆) 周边住左边受拉右边受压二、转换层（加强层）结构定义 广州西塔二、转换层（加强层）结构定义 广州西塔二、转换层（加强层）结构定义 转换层与加强层两者相似之处： 结构形式类似（高规10.2.4和10.3.1条） 均需要占用1-2层的高度（因而称为”层”） 转换层与加强层两者不同之处： 转换层：由于建筑使用功能的改变导致结构布置的改变，此时需要设置转换层衔接上、下梁部分不同的结构。多为桥式结构 加强层：因结构本身刚度和整体性的需

4、要而设置。加强构件-伸臂。 二、转换层（加强层）结构形式 高规第10.2.4条： 转换结构可以采用转换梁、桁架、空腹桁架、箱型结构、斜撑等。 高规第10.3.1条： 水平伸臂构件、周边环带构件可采用斜腹杆桁架、实体梁、箱型梁、空腹桁架等形式。 二、转换层（加强层）结构形式 转换层（加强层）结构形式用的较少，不适用加强层二、转换层（加强层）结构形式 梁式转换结构1、高规高规10.2.1010.2.10条，条，转换层上部的竖向抗侧力构件（墙、柱）宜宜直接落在转换层主结构上。2、高规高规10.2.1610.2.16条，条， B B级级高度框支剪力墙高层建筑的结构转换层，不宜不宜采用框支主、次梁方案。

5、优点：设计、施工简单，受力明确。缺点： 受剪承载力来控制，截面尺寸较大； 由于梁很强，处理不好可能与框支柱行程“强梁弱柱”现象，对结构抗震不利； 转换梁的通风、采光均不利；二、转换层（加强层）结构形式 梁式转换结构深圳海滨花园二、转换层（加强层）结构形式梁式转换在实际工程中运用如此多二、转换层（加强层）结构形式 宽扁梁转换结构1、研究表明，转换梁宽而扁，刚度适当弱化，组合效应较小，较为有利，且愈是高烈度区，弱化转换梁刚度愈有利。2、应双向设置宽扁梁，以扩大外核心区范围，保证外核心受扭承载力。设计要点 对于柱支剪力墙宽扁梁转换结构，梁高宜满足跨高比10，设计尚应注意转换层上层的柱支剪力墙截面不能

6、过大削弱； 对于托柱转换宽扁梁转换结构，梁高宜满足跨高比10； 对于托墙转换宽扁梁转换结构，梁高宜满足跨高比8； 工程实例：深圳五洲宾馆工程实例：深圳五洲宾馆二、转换层（加强层）结构形式 宽扁梁转换结构深圳五洲宾馆二、转换层（加强层）结构形式 厚板转换结构1、高规高规10.2.410.2.4条，条，非抗震设计和6度抗震设计可采用；7、8度抗震设计的地下室转换构件可采用厚板。注：厚板转换层结构，目前缺乏完善的分析方法，应尽量避免采用。2、通常23m厚。只有在上下结构明显不协调，无法采用其他方法时才会使用。由于自重较大，传力不明确，对抗震不利。优点：下层柱可灵活布置，无需与上部结构对齐。缺点： 自

7、重大且用料多； 不适宜抗震设防烈度6度以上高层；二、转换层（加强层）结构形式 厚板转换结构河南金融广场二、转换层（加强层）结构形式 箱形转换结构1、高规高规10.2.10.2.1313条，条，箱行转换结构上、下楼板厚度均不宜小于180mm，应根据转换柱的布置和建筑功能要求设置双向横隔板；上、下板配筋设计应同时考虑局部弯曲和整体弯曲的影响，横隔板宜按深梁设计。2、截面高度一般为跨度的1/81/5；腹板一般最小厚度400mm；下部支撑结构的柱和墙要延伸到箱形楼盖的顶板。优点：上下两层楼板作为翼缘，中间设置若干腹板(看似剪力墙，但工作状态不同)构成。其承载能力比梁式大得多。缺点： 自重大且用料多；

8、计算分析也较复杂；二、转换层（加强层）结构形式 预应力箱形转换结构东莞大剧院二、转换层（加强层）结构形式 桁架转换结构1、高规高规10.2.10.2.2727条，条，转换构件采用桁架时，转换桁架斜腹杆的交点、空腹桁架的竖腹杆宜与上部密柱的位置重合；转换桁架的节点应加强配筋及构造措施。2、斜撑可以受压也可以受拉，混凝土宜以受压为主，受拉时可以考虑采用型钢或预应力混凝土构件。优点：斜撑的优点之一是传力路线明确。缺点： 斜柱在其与竖柱相交处产生水平分力作用于楼层，对该水平力最好的处理办法是设法在最短的传力途径上予以平衡消失； 建筑空间问题；二、转换层（加强层）结构形式 桁架转换结构深圳国检大厦二、转

9、换层（加强层）结构形式 空腹桁架转换结构1、高规高规10.2.10.2.1515条，条，采用空腹桁架转换层时，空腹桁架宜满层设置，应有足够的刚度。空腹桁架的上、下弦杆宜考虑楼板作用，并应加强上、下弦杆与框架柱的锚固连接构造；2、计算应取消刚性楼板，按弹性楼板计算。优点：不影响建筑造型和采光。内力计算较为简单，节点处理比较简单，传递路径比较明确。缺点： 无斜杆，水平荷载作用下，桁架层剪力主要由腹板柱承受； 建筑跨度较大时，竖向荷载作用下往往产生过大的挠度，影响使用；三、转换层结构设计原则减少转换传力直接 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

10、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，尽量采用箱型转换。 强化下部、弱化上部 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的侧向刚度尽量接近、平滑过渡。三、转换层结构设计原则规范对转换层上下部刚度要求 高规.E01 当转换层设置在1、2层时，可近似采用转换层与其相邻上层结构的等效剪切刚度比e1表示转换层上、下层结构刚度的变化，e1宜接近1，非抗震设计时e1不应小于0.4，抗震设计时e1不应小于0.5。 当转换层设置在第2层以上时，按本规程式(3521)计算的转换层与其相邻上层的侧向刚度比不应小于0.6。 （美国规范I

11、BC2006） E03 当转换层设置在第2层以上时，尚宜采用图E所示的计算模型按公式(E03)计算转换层下部结构与上部结构的等效侧向刚度比e2。e2宜接近1，非抗震设计时e2不应小于0.5，抗震设计时e2不应小于0.8。为何规定三种算法？三、转换层结构设计原则三种算法解析 上述规范条文，可以判断上下层（相邻层）的刚度比应为剪切刚度比，而高位转换的上下部结构的等效侧向刚度比则为剪弯刚度比； 相邻层（上下层）的刚度比，侧重的是转换层与其上层的层刚度变化突变值。规范要求此刚度比宜接近1，即尽量不产生突变。规范的3.5.2条也是如此要求，基于同样的道理，因为相邻楼层的刚度发生突变，比如导致应力集中而不

12、利。所以这点要求（相邻层的刚度比）即便不是转换结构，也是要求的。只是转换层本身就是转换，刚度突变，先天不足，故对此要求适当降低了。这里并不是放松，而是逼不得已。因为虽然刚度比要求降低了，但用词为“应”，且在转换结构构件及概念设计的要求上，却加强了非常之多。 上下部结构的刚度比，侧重的是整个区域的刚度变化。对于没有刚度突变的结构，比如剪力墙结构，就很少存在这个问题。但转换结构不一样。而转换层设置位置越高，其发生刚度改变的区域高度就越大，故下部的转换结构区与上部非转换的结构区的对比就越大。此时仅仅限制相邻层的刚度比显然不合理，也不安全；前两种侧重局部，后一种侧重整体三、转换层结构设计原则举例子说明

13、算法的影响 为了说明此点，打个简单的比方（不一定恰当），转换层上下层刚度比满足时，其转换层高度为5.8m。但是转换层位于第三层。而这个结构的第一层层高为13m，第二层层高为9m。如此层高设置，大致能满足规范的3.5.2条相邻层刚度比要求。但大家都知道，这么设置很明显不合理，可如果规范仅仅规定相邻层的刚度比，就会出现一个奇怪的现象：明明觉得不合理，但规范要求却是满足的。 规范提出的等效侧向刚度比，就是为了控制转换层的位置不宜太高，亦即转换柱所在的区域高度不宜太高。 回到上述例子，假设三层转换，第一层层高5.4m，第二层层高5.4m，第三层转换层层高5.8m，这么设置层高时，大家都觉得比较正常。其

14、实这个感觉里，就内嵌了等效侧向刚度比的概念。转换层设置位置应从整体结构把握三、转换层结构设计原则三、转换层结构设计原则三、转换层结构设计原则四、转换结构的计算模型 高规高规10.1.210.1.2条文说明，带转换层结构，抗震设条文说明，带转换层结构，抗震设计时应采用至少两个不同力学模型的结构分析软件计时应采用至少两个不同力学模型的结构分析软件进行整体计算。进行整体计算。 高规高规10.1.510.1.5条，复杂高层建筑结构中的受力复条，复杂高层建筑结构中的受力复杂部位，宜进行应力分析，并按应力进行配筋设计杂部位，宜进行应力分析，并按应力进行配筋设计校核。校核。四、转换结构的计算模型梁托柱的转换

15、结构( (框支结构） 这类转换层的计算模型，可以仍采用杆模型。 高规第10.2.6条，当转换层在3层及3层以上时，框支柱、剪力墙底部加强区的抗震等级应提高1级，已为特一级时可不提高； 在特殊构件定义中应把与托柱梁相连的柱定义为转换柱，以便内力调整。 高规第10.2.8条，转换梁截面高度不宜小于计算跨度的1/8，托柱转换梁截面宽度不应小于其上所托柱在梁宽方向的截面宽度。四、转换结构的计算模型其他几个特殊柱或梁什么时候采用呢？四、转换结构的计算模型梁托墙的转换结构（框支剪力墙结构） 框支剪力墙结构宜采用墙元（壳元）模型，如SATWE、PMSAP等。PKPM V2.1的SATWE将托墙的转换梁按墙输

16、入，可实现壳元计算； 高规第10.2.16条当结构竖向布置复杂，框支主梁承托剪力墙并承托转换次梁及其上剪力墙时，应进行应力分析，按应力校核配筋，并加强配筋构造措施； 框支托梁的构造应按高规的相应要求控制，如托梁上的洞口布置、托梁的腰筋配置等等；框支柱、托梁均应在特殊构件中单独定义，否则程序不会按框支柱、托梁进行设计控制；（高规10.2.8详细介绍，包括配筋、截面控制、锚固等）四、转换结构的计算模型厚板转换结构 高规第10.2.14条，转换厚板可由抗弯、抗剪、抗冲切截面验算确定。（配筋及构造要求详见10.2.14） 整体计算时厚板一定要考虑厚板面外的变形，这样才能把上部结构、厚板、下部结构的变形

17、、传力等计算合理，厚板平面内可以按无限刚考虑。 在用SATWE、PMSAP进行结构的整体分析时，在轴线上布置100*100的虚梁，细分厚板单元。最后在分析时厚板必须定义为弹性楼板（可以用“弹性板3” 面内无限刚，面外有刚度）。 支撑厚板的柱均应定义为框支柱（转换柱）。 可以借助二次分析程序SLABCAD完成，其中板的配筋、冲切、应力验算等均包含在内。四、转换结构的计算模型桁架转换结构 桁架转换结构可由SATWE、TAT、PMSAP输入计算，其分析的关键是桁架上、下层弦杆的轴力，所以在分析时一定要把上、下弦杆层的楼板定义成弹性楼板6或弹性膜，以便计算出上、下弦杆的轴力。 当斜腹杆的布置比较简单，

18、只与上、下楼层节点相连，则用SATWE、TAT计算没有问题；如果斜腹杆布置复杂，用SATWE、TAT计算时就需要简化。五、转换结构的设计控制高规条文 表3.9.3和表3.9.4关于A、B级最大适用高度的规定； 第10.2.5条 转换层位置，8度不宜超过3层；7度不宜超过5层；6度时可适当提高； 第10.1.2条 9度抗震设计，不应采用带转换层结构、带加强层的结构、错层结构和连体结构； 表3.9.3和表3.9.4，正确填写结构构件的抗震等级；（注意10.2.6构件及有关部位抗震等级的提高） 第10.2.2 条，带转换层的高层建筑结构，其剪力墙底部加强部位高度宜取转换层以上两层且不宜小于房屋高度的

19、1/10。 10.2.16条，框支框架承担的地震倾覆力矩应小于结构总地震倾覆力矩的50%五、转换结构的设计控制位移比周期比 高规的3.4.5条规定，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移，A、B级高度高层建筑均不宜大于该楼层平均值的1.2倍； A级高度高层建筑不应大于该楼层平均值的1.5倍，B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑，不应大于该楼层平均值的1.4倍； 高规的3.4.5条规定，结构扭转为主的第一周期Tt与平动为主的第一周期T1 之比， A级高度高层建筑不应大于0.9；B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑不应大于0.85。五、转换结构的设计控制转换层上部与下部结构的

20、侧向刚度比 高规的10.2.3条2款，转换上部结构与下部结构的侧向刚度比的计算和限值，应符合附录E的规定。 高规附录E中E.0.1是针对转换层位于1、2层的，采用转换层上、下层结构等效剪切刚度比算法， re宜为1，限制非抗震设计时不应小于0.4，抗震设计时不应小于0.5； E.0.3是针对转换层位置大于2层的，采用转换层的上部结构与带转换层的下层结构等效侧向刚度比算法， re宜为1，限制非抗震设计时不应小于0.5，抗震设计时不应小于0.8； E.0.2当转换层设置在2层及2层以上时转换层本层侧向刚度不应小于相邻上一层楼层侧向刚度的60%。五、转换结构的设计控制 SATWE输出刚度比 SATWE

21、可在WMASS.OUT文件中查看。= 高位转换时转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比= 转换层所在层号= 3 转换层下部结构起止层号及高度= 1，3，10.10 转换层上部结构起止层号及高度= 4，6，8.10 X方向下部刚度= 0.2353E+08，X方向上部刚度= 0.2769E+08， X方向刚度比= 0.9439 Y方向下部刚度= 0.4338E+08，Y方向上部刚度= 0.3284E+08， Y方向刚度比= 0.6072五、转换结构的设计控制 SATWE输出剪力墙底部加强部位剪力墙底部加强部位 高规的10.2.4条，剪力墙底部加强部位的高度可取框支层加上框支层以上两层的高度及墙肢总高

22、度的1/10二者的较大值。WMSS.OUT文件中有输出：剪力墙底部加强区信息.剪力墙底部加强区层数 IWF= 5剪力墙底部加强区高度(m) Z_STRENGTHEN= 22.90五、转换结构的设计控制 SATWE定义抗震等级抗震等级 对凡是在整体结构抗震等级中定义的，程序自动判断，是否转换高层，转换层是否在3层及以上，而对框支柱，底部加强部位的剪力墙的抗震等级提高一级，需要特殊构件定义； 对底部加强部位的不落地剪力墙的抗震等级不予提高； 对于在“特殊构件” 菜单中另行改动了抗震等级，则不做调整； 构造详傅学怡构造详傅学怡“带转换高层建筑设计的建议带转换高层建筑设计的建议”六、展望 转换构件的模型化问题 当遇到厚板转换层结构时，对厚板上下构件之间的传力机制存在分析不明、传力不清的问题。 目前可以对框支转换结构分析，为使上部墙与托梁共同工作，而使墙下部节点与梁进行位移协调，所以下部托梁被打断成一段段短梁，而托梁的高度又较大，造成梁单元刚度误差、偏刚，有时托梁有整层的高度，这种误差会加大。解决办法只有把托梁也按二维有限元的方法划分单元整体分析，配筋则采用梁的方式。六、展望 转换结构的分析方法问题 目前，软件对施工过程恒载初内力计算采用了施工模拟算法。该方法对