复杂高层建筑结构设计

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1、第 9 章 复杂高层建筑结构设计近年来，国内外高层建筑发展迅速，现代高层建筑向着体型复杂、功能多样的综合性发展。这 一方面为人们提供了良好的生活环境和工作条件，体现了建筑设计的人性化理念；另一方面也使建筑 结构受力复杂、抗震性能变差、结构分析和设计方法复杂化。因此，从结构受力和抗震性能方面来说， 工程设计中不宜采用复杂高层建筑结构，但实际工程中往往会遇到这些复杂结构，如带转换层的结构、 带加强层的结构、错层结构和多塔楼结构等。为了使读者对这些复杂结构有所了解，本章简要介绍其 受力特点和设计方法。9.1带转换层高层建筑结构15在同一幢高层建筑中，沿房屋高度方向建筑功能有时会发生变化。如下部楼层用

2、作商业、文化娱乐，需要尽可能 大的室内空间，要求柱网大、墙体少；中部楼层作为办公用 房，需要中等的室内空间，可以在柱网中布置一定数量的墙 体；上部楼层作为宾馆、住宅等用房，需要采用小柱网或布 置较多的墙体，如图 9.1.1 所示。为了满足上述使用功能要 求，结构设计时，上部楼层可采用室内空间较小的剪力墙结 构，中部楼层可采用框架-剪力墙结构，下部楼层则可布置 为框架结构。为了实现这种结构布置，必须在两种结构体系 转换的楼层设置水平转换构件，即形成带转层的结构（structure with transfer story）。一般地，当高层建筑下部楼 层在竖向结构体系或形式上与上部楼层差异较大，或者

3、下部 楼层竖向结构轴线距离扩大或上、下部结构轴线错位时，就转换构件公寓（小空间）（中、小空间）商业（大空间）必须在结构体系或形式改变的楼层设置结构转换层。9.1.1转换层的分类及主要结构形式1. 转换层的分类图 9.1.1 建筑功能与结构布置（1）上、下部结构类型的转换。在剪力墙结构或框架-剪力墙结构中，当拟在底部设置商用房或 其他需要较大空间的公用房间时，可以将全部剪力墙或部分剪力墙通过转换层变为框架结构，形成底 部大空间剪力墙结构，这种用下部框架柱支承上部剪力墙的结构，亦称为框支剪力墙结构。（2）上、下部柱网和轴线的改变。在筒中筒结构中，外框筒为密柱深梁，无法为建筑物提供较 大的出入口，此

4、时可沿外框筒周边柱列设置转换层使下部柱的柱距扩大，形成大柱网，以满足设置较 大出入口的需要，但转换层上、下部的结构类型并没有改变。（3）上、下部结构类型和柱网均改变。在框支剪力墙结构中，上部楼层一般为住宅建筑，采用 适合于住宅平面组合轴线布置的剪力墙结构体系，而下部楼层一般为商用房，可能采用大空间轴线布 置的框架结构体系。这种结构体系不仅上、下部结构类型不同，而且上、下部的轴线也不一定对齐， 需要设置转换层来实现力的传递。实际工程中的带转换层高层建筑结构多为这种情况。2. 转换层的主要结构形式从转换层结构的概念来看，建筑物上部结构与地基之间的基础也是一种转换结构。因此，钢筋混 凝土梁式、板式基

5、础（包括柱下条形基础、交叉梁基础、筏形基础、箱形基础等）的结构形式也可作 为建筑物上部结构之间的转换层结构形式。目前，工程中应用的转换层结构形式主要有：梁式、斜杆桁架式、空腹桁架式、箱形和板式等， 如图 9.1.2 所示。（a）（b）（c）（d）（e）（f）（g）图 9.1.2 转换层结构形式梁式转换层图 9.1.2（a）具有传力直接、明确、受力性能好、构造简单和施工方便等优点，一 般应用于底部大空间剪力墙结构体系中，是目前应用最多的一种转换层结构形式。转换梁可沿纵向或 横向平行布置，当需要纵、横向同时转换时，可采用双向梁的布置方案图 9.1.2（f）。当上、下部柱网轴线错开较多，难以用梁直接

6、承托时，则可作成厚板，形成板式转换层图 9.1.2（g） 。板式转换层的下层柱网可以灵活布置，施工简单，但自重大，材料耗费较多。 在梁式转换层结构中，当转换梁跨度很大且承托层数较多时，转换梁的截面尺寸将很大，造成结构经济指标上升，结构方案不合理。另外，采用转换梁也不利于大型管道等设备系统的布置和转换层 建筑空间的充分利用。因此，采用桁架结构代替转换梁作为转换层结构是一种较为合理可行的方案。 桁架式转换层具有受力性能好，结构自重较轻、经济指标好以及充分利用建筑空间等优点，但其构造 和施工复杂。这种转换层有斜杆桁架式图 9.1.2（b）、空腹桁架式图 9.1.2（c）等。单向托梁或双向托梁与其上、

7、下层较厚的楼板共同工作，可以形成整体刚度很大的箱形转换层图9.1.2（d）。箱形转换层是利用原有的上、下层楼板和剪力墙经过加强后组成的，其平面内刚度较单 层梁板结构大得多，但一般较厚板转换层平面内刚度小，改善了带转换层高层建筑结构的整体受力性 能。箱形转换层结构受力合理，建筑空间利用充分，实际中工程也有一定应用。转换层采用深梁、实心厚板或箱形厚板，当楼层面积较小时，转换层刚度很大，可视为刚性转换 层；当采用斜腹杆桁架或空腹杆桁架、且楼层面积较大时，可视为弹性转换层。9.1.2结构布置对于带转换层高层建筑结构，由于转换层刚度较其他楼层刚度大很多，质量也相对较大，加剧了 这种结构沿高度方向刚度和质

8、量的不均匀性；另外，转换层上、下部的竖向承重构件不连续，墙、柱 截面突变，导致传力路线曲折、变形和应力集中。因此，带转换层高层建筑结构的抗震性能较差，设 计时应通过合理的结构布置改善其受力和抗震性能。1. 底部转换层的设置高度带转换层的底层大空间剪力墙结构于 20 世纪 80 年代开始在我国应用，后来这种结构迅速发展。 目前带转换层高层建筑结构在地面以上的大空间层数一般为 26 层，有些工程已做到 710 层。国内有关单位研究了转换层设置高度对这种结构抗震性能的影响。研究结果表明，底部转换层 位置越高，转换层上、下刚度突变越大，转换层上、下构件内力的突变越剧烈；此外，转换层位置越高，转换层上部

9、附近的墙体容易破坏，落地剪力墙或筒体易出现受弯裂缝，从而使框支柱的内力增大， 对结构抗震不利。总之，转换层位置越高，这种结构的抗震性能越差。因此，底部大空间部分框支剪 力墙高层建筑结构在地面以上的大空间层数，设防烈度为 7 度和 8 度时分别不宜超过 5 层和 3 层，6 度时其层数可适当增加。另外，对于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、下刚度突变不明显，上、下构件内力的突变程度也小于部分框支剪力墙结构， 转换层设置高度对这两种结构的影响较部分框支剪力墙结构小，所以对这两种结构，其转换层位置可 比上述规定适当提高。当底部带转换层的筒中筒结构的外筒为由

10、剪力墙组成的壁式框架时，其转换层 上、下部的刚度和内力突变程度与部分框支剪力墙结构较接近，所以其转换层设置高度的限值宜与部 分框支剪力墙结构相同。2. 转换层上部结构与下部结构的侧向刚度控制转换层下部结构的侧向刚度一般小于其上部结构的侧向刚度，但如果二者相差悬殊，则会使转换 层下部形成柔软层，对结构抗震不利。因此，设计时应控制转换层上、下部结构的侧向刚度比，使其 位于合理的范围内。（1）底部大空间为 1 层时，转换层上、下部结构等效剪切刚度比 可按下列公式计算： = G2 A2 / h2G1 A1 / h1= G2 A2 h1G1 A1 h2（9.1.1）Ai = Awi + Ci Acihi

11、C = 2.5( hci ) 2i(i = 1,2) (i = 1,2)（9.1.2）（9.1.3）式中， G1 、 G2 分别表示底层和转换层上层的混凝土剪变模量； A1 、 A2 分别表示底层和转换层上层 的折算抗剪截面面积，可按式（9.1.2）计算；Awi 为第 i 层全部剪力墙在计算方向的有效截面面积（不 包括翼缘面积）；Aci 表示第 i 层全部柱的截面面积；hi , hci 分别表示第 i 层的层高和柱沿计算方向的截 面高度。当第 i 层各柱沿计算方向的截面高度不相等时，可分别计算各柱的抗剪截面面积。 为了防止底层刚度突变， 值宜接近于 1（较难实现），非抗震设计时 值不应大于 3

12、，抗震设计时值不应大于 2。亦即底层的侧向刚度不应小于标准层的 1/3（非抗震设计）和 1/2（抗震设计）。（2）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侧向刚度比 e 可采用图 9.1.3所示的计算模型并按下式计算： e =1 / H1 2 / H 2= 1 H 2 2 H1（9.1.4）式中， e 表示转换层上、下结构的等效侧向刚度比； H1 表示转换层及其下部结构图 9.1.3（a）的高 度； H 2 表示转换层上部若干层结构（图 9.1.3（b）的高度，其值应等于或接近于高度 H1 ，且不大 于 H1 ； 1 表示转换层及下部结构图 9.1.3（a）的顶部在单位水平

13、力作用下的侧向位移； 2 表示转 换层上部若干层结构（图 9.1.3（b）的顶部在单位水平力作用下的侧向位移。按式（9.1.4）确定的 e 值宜接近于 1；非抗震设计时， e 值不应大于 2；抗震设计时，e 值不应 大于 1.3。带转换层高层建筑结构除应满足上述的等效侧向刚度比要求外，还应满足下列楼层侧向刚度比要 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%。 这是为了防止出现下述不利情况，即转换层的下部楼层侧向刚度较大，而转换层本层的侧向刚度较小， 这时等效侧向刚度比 e 虽能满足限值要求，但转换层本身侧向刚度过于柔软，形成竖向严重不规则

14、结 构。H1转换层P=1D1H转换构件D2P=1（a）（b）图 9.1.3 转换层上、下等效侧向刚度计算模型应当指出，式（9.1.4）是用转换层上、下层间侧移角（ i / H i ）比来描述转换层上、下部结构 的侧向刚度变化情况。此法能够考虑抗侧力构件的布置问题（如在结构单元内，抗侧力构件的位置不同，其对楼层侧向刚度的贡献不同），以及构件的弯曲、剪切和轴向变形对侧向刚度的影响，因此是 一个较合理的方法；而式（9.1.1）仅考虑了层间竖向构件的数量以及构件的剪切变形。但是，按式（9.1.4） 计算 e 时，要求 H 2 不大于 H1 ，这对于底部大空间只有 1 层的情况是难以满足的，所以只能用式

15、（9.1.1）确定 。当然， H 2 接近 H1 时，也可用式（9.1.4）确定底层大空间剪力墙的等效侧向刚度比。3. 转换构件的布置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，并在结构转换层布置转换结构构件。转换结构构件可采用梁、桁架、空腹桁架、 箱形结构、斜撑等。由于厚板转换层的板厚很大，质量相对集中，引起结构沿竖向质量和刚度严重不 均匀，对结构抗震不利。因此，非抗震设计和 6 度抗震设计时，转换构件可采用厚板；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、8 度抗震设计的地下室的转换构件可采用厚板。转换层上部的

16、竖向抗侧力构件（剪力墙、柱）宜直接落在转换层的主构件上。但实际工程中会遇 到转换层上部剪力墙平面布置复杂的情况，这时一般采用由框支主梁承托剪力墙并承托转换次梁及次 梁上的剪力墙，其传力途径多次转换，受力复杂。试验结果表明，框支主梁除承受其上部剪力墙的作用外，还承受次梁传来的剪力、扭矩等作用，使框支主梁容易产生剪切破坏，因此，B 级高度框支剪力墙高层建筑的结构转换层，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框支主、 次梁方案，但设计中应对框支梁进行应力分析，按应力校核配筋，并加强配筋构造措施。工程设计中， 如条件许可，也可考虑采用箱形转换层。4. 剪力墙（筒体）和框支柱的布置为

17、了防止转换层下部结构在地震中严重破坏甚至倒塌，应按下述原则布置落地剪力墙（筒体）和 框支柱。（1）框支剪力墙结构要有足够数量的剪力墙上、下贯通落地并按刚度比要求增加墙厚；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比要求增加筒壁厚度。（2）长矩形平面建筑中落地剪力墙的间距 l 宜符合以下规定：非抗震设计， l 3B 且 l 36m ； 抗震设计，底部为 12 层框支层时：l 2B 且 l 24m ；底部为 3 层及 3 层以上框支层时：l 1.5B 且 l 20m 。其中 B 为楼盖宽度。（3）落地剪力墙与相邻框支柱的距离，底部为 12 层框支层时不宜大于 12m，3 层及 3 层以

18、上框支层时不宜大于 10m。（4）框支层楼板不应错层布置，以防止框支柱产生剪切破坏。（5）框支剪力墙转换梁上一层墙体内不宜设边门洞，不宜在中柱上方设门洞。试验研究和计算 分析结果表明，这些门洞使框支梁的剪力大幅度增加，边门洞小墙肢应力集中，很容易破坏。（6）落地剪力墙和筒体的洞口宜布置在墙体的中部，以便使落地剪力墙各墙肢受力（剪力、弯 矩、轴力）比较均匀。9.1.3梁式转换层结构设计1. 转换梁的受力机理梁式转换层结构是通过转换梁将上部墙（柱）承受的力传至下部框支柱图 9.1.4（a）。图 9.1.4(b)、(c)、(d)分别为竖向荷载作用下转换层（包括转换梁和其上部分墙体）的竖向压应力 y

19、、水平应力 x 和剪应力 的分布图。可见，在转换梁与上部墙体的界面上，竖向压应力在支座处最大，在跨中截 面处最小；转换梁中的水平应力 x 为拉应力。形成这种受力状态的主要原因有两点：（1）拱的传力 作用，即上部墙体上的大部分竖向荷载沿拱轴线直接传至支座，转换梁为拱的拉杆；（2）上部墙体与转换梁作为一个整体共同受力，转换梁处于整体弯曲的受拉区，由于上部剪力墙参与受力而使转 换梁承受的弯矩大大减小。因此，转换梁一般为偏心受力构件。L0qq墙厚L0 y y托梁宽拱拱小拱hbhbL0 L0转换层L0hc hcL L L（a）（b）qq =0 =0L0A=0.4LL0- B=0.5L 0.75LB A+

20、oR L0C=0.2L-0.3LL0L L L L2. 结构分析(c)(d)图 9.1.4 框支剪力墙转换层应力分布梁式转换层结构有两种形式，即托墙形和托柱形。这里仅简要介绍托墙形梁式转换层结构的内力 计算方法。（1）整体结构分析方法对带梁式转换层高层建筑结构，可直接用三维空间结构分析程序（如 TBSA,SDTB,TAT 等）进行 整体结构内力分析。当采用杆系模型分析时，剪力墙墙肢作为柱单元考虑，转换梁按梁模型处理，在 上部剪力墙和下部柱之间设置转换梁，墙肢与转换梁连接，如图 9.1.5（b）所示。图 9.1.5（b）所示的杆系模型没有考虑转换梁与上部墙体的共同工作，按此模型分析得到的转换梁内

21、力与按高精度平面有限元模型计算结果相差较大。为了合理地反映转换梁上部墙肢的传力途径， 可采用图 9.1.5（c）所示的计算模型。即在图 9.1.5（b）所示杆系模型的基础上，增加“虚柱”单元， 虚柱的截面宽度取转换梁上部墙体厚度，虚柱的截面高度取转换梁下部支承柱的截面高度，与虚柱相 连接的梁为“刚性梁”（弯曲刚度为无限大）。这样，转换梁上部结构各楼层竖向荷载通过“刚性梁”按墙肢及虚柱刚度分配给各墙肢及虚柱，再向下部框支柱上传递。虚柱转换梁转换梁(a)（2）转换层结构局部应力分析(b)图 9.1.5 转换梁的杆系计算模型(c)在上述整体空间分析基础上，考虑转换梁与上部墙体的共同工作，将转换梁以及

22、上部 34 层墙 体和下部 12 层框支柱取出，合理确定其荷载和边界条件，进行有限元分析。这时可采用下列平面 有限元法：（1）全部采用高精度平面有限元法；（2）上部墙体和转换梁采用高精度平面有限元法，下 部结构采用杆系有限元法；（3）采用分区混合有限元法。3. 底部加强部位结构内力的调整试验结果表明，对底部带转换层的高层建筑结构，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 12 层范围内出现裂缝，同时转换构件上部 12 层剪力墙也出现裂缝或局部破坏。 因此，对这种结构其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度 的 1/8 二者的较大值。高位转换对结

23、构抗震不利。因此，对部分框支剪力墙结构，当转换层的位置设置在 3 层及 3 层以 上时，其框支柱、剪力墙底部加强部位的抗震等级尚宜按表 4.3.8 和 4.3.9 的规定提高一级采用，已经为特一级时可不再提高。而对底部带转换层的框架-核心筒结构和外围为密柱框架的筒中筒结构，因 其受力情况和抗震性能比部分框支剪力墙结构有利，故其抗震等级不必提高。带转换层的高层建筑结构属竖向不规则结构，其薄弱层的地震剪力应乘以 1.15 的增大系数。对抗震等级为特一、一、二级的转换构件，其水平地震内力应分别乘以增大系数 1.8、1.5 和 1.25；同时8 度抗震设计时除考虑竖向荷载、风荷载或水平地震作用外，还应

24、考虑竖向地震作用的影响。转换构 件的竖向地震作用，可采用反应谱方法或动力时程分析方法计算，也可近似地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。在转换层以下，落地剪力墙的侧向刚度一般远远大于框支柱的侧向刚度，所以按计算结果，落地 剪力墙几乎承受全部地震剪力，框支柱分配到的剪力非常小，考虑到实际工程中转换层楼面会有显著的平面内变形，框支柱实际承受的剪力可能会比计算结果大很多。此外，地震时落地剪力墙出现裂缝 甚至屈服后刚度下降，也会使框支柱的剪力增加。因此，对带转换层的高层建筑结构，其框支柱承受的地震剪力标准值应按下列规定采用：（1）对每层框支柱的数目不多于 10 根的场合，当框

25、支层为 12 层时，每根柱所承受的剪力应至 少取基底剪力的 2%；当框支层为 3 层及 3 层以上时，每根柱所承受的剪力应至少取基底剪力的 3%；（2）对每层框支柱的数目不多于 10 根的场合，当框支层为 12 层时，每层框支柱所承受的剪力 之和应取基底剪力的 20%；当框支层为 3 层及 3 层以上时，每层框支柱承受的剪力之和应取基底剪力 的 30%。框支柱剪力调整后，应相应地调整框支柱的弯矩及与框支柱相交的梁端（不包括转换梁）的剪力和弯矩，框支柱的轴力可不调整。4. 转换梁截面设计和构造要求（1）截面设计方法当转换梁承托上部剪力墙且满跨不开洞、或仅在各跨墙体中部开洞时，转换梁与上部墙体共同

26、工 作，其受力特征和破坏形态表现为深梁，可采用深梁截面设计方法进行配筋计算，并采取相应的构造 措施。当转换梁承托上部普通框架柱、或承托的上部墙体为小墙肢时，在转换梁的常用尺寸范围内，其 受力性能与普通梁相同，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 换梁产生轴向拉力，此时应按偏心受拉构件进行截面设计。（2）框支梁截面尺寸 框支梁截面宽度不宜大于框支柱相应方向的截面宽度，不宜小于其上墙体截面厚度的 2 倍，且不宜小于 400mm；当梁上托柱时，尚不应小于梁宽方向的柱截面宽度。梁截面高度，抗震设计时不应 小于计算跨度的 1/6，非抗震设计时不应小于计算跨度的 1/8；框支

27、梁可采用加腋梁。框支梁与框支柱截面中线宜重合。为避免梁产生脆性破坏和具有合适的含箍率，框支梁截面组合的最大剪力设计值V 应符合下列要求：无地震作用效应组合时 有地震作用效应组合时V 0.20c f c bh0V (0.15c fc bh0 ) / RE（9.1.5）（9.1.6）式中，b, h0 分别表示梁截面宽度和有效高度； f c 为混凝土轴心抗压强度设计值；c 为混凝土强度影 响系数； RE 为承载力抗震调整系数。（3）框支梁构造要求梁上、下部纵向钢筋的最小配筋率，非抗震设计时分别不应小于 0.30%；抗震设计时，对特一、 一和二级抗震等级，分别不应小于 0.60%、0.50%和 0.4

28、0%。偏心受拉的框支梁，其支座上部纵向钢筋至少应有 50%沿梁全长贯通，下部纵向钢筋应全部直通 到柱内；沿梁高应配置间距不大于 200mm、直径不小于 16mm 的腰筋。框支梁支座处（离柱边 1.5 倍梁截面高度范围内）箍筋应加密，加密区箍筋直径不应小于 10 mm， 间距不应大于 100mm。加密区箍筋最小面积含箍率，非抗震设计时不应小于 0.9 f t / f yv ；抗震设计时， 对特一、一和二级抗震等级，分别不应小于1.3 f t / f yv ,1.2 f t f yv 和1.1 f t / f yv ；其中 f t , f yv 分别表示混 凝土抗拉强度设计值和箍筋抗拉强度设计值。

29、当框支梁上部的墙体开有门洞或梁上托柱时，该部位框支梁的箍筋亦应满足上述规定。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 梁加腋或增大框支墙洞口连梁刚度等措施。框支梁不宜开洞。若需开洞时，洞口位置宜远离框支柱边，洞口顶部和底部的弦杆应加强抗剪配筋，开洞部位应配置加强钢筋，或用型钢加强，被洞口削弱的截面应进行承载力计算。 梁纵向钢筋宜采用机械连接，同一截面内接头钢筋截面面积不应超过全部纵筋截面面积的50%，接头部位应避开上部墙体开洞部位、梁上 托柱部位及受力较大部位。l a E梁上、下纵向钢筋和腰筋的锚固宜符合图l a El a E9.1.6 的要求；当梁上部配置多排纵向钢筋时，

30、其 内排钢筋锚入柱内的长度可适当减小，但不应小 于钢筋锚固长度 la （非抗震设计）或 laE （抗震 设计）。5框支柱截面设计和构造要求（1）框支柱截面尺寸主筋 0.4 l a E腰筋 l a E 0.4l a E主筋 图 9.1.6 框支梁主筋和腰筋的锚固框支柱的截面尺寸主要由轴压比控制并应满足剪压比要求。柱截面宽度，非抗震设计时不宜小于400 mm，抗震设计时不应小于 450 mm；柱截面高度，非抗震设计时不宜小于框支梁跨度的 1/15，抗 震设计时不宜小于框支梁跨度的 1/12。框支柱的轴压比不宜超过表 5.6.3 规定的限值。框支柱截面组合的最大剪力设计值应符合式（9.1.5）和式（

31、9.1.6）的要求，但其中 b 、 h0 应取框支柱的截面宽度和截面有效高度。（2）框支柱截面设计框支柱应按偏心受力构件计算其纵向受力钢筋和箍筋数量。由于框支柱为重要受力构件，为提高 其抗震可靠性，其截面组合的内力设计值除应按框架柱的要求进行调整外，对一、二级抗震等级的框 支柱，由地震作用引起的轴力值应分别乘以增大系数 1.5、1.2，但计算柱轴压比时不宜考虑该增大系数；同时为推迟框支柱的屈服，提高结构整体变形能力，一、二级框支柱与转换构件相连的柱上端和底层柱下端截面的弯矩组合值应分别乘以增大系数 1.5、1.25，剪力设计值也应按相应的规定调整， 框支角柱的弯矩设计值和剪力设计值应在上述调整

32、的基础上乘以增大系数 1.1。（3）框支柱构造要求框支柱内全部纵向钢筋配筋率，非抗震设计时不应小于 0.8%；抗震设计时，一、二级抗震等级， 分别不应小于 1.2%和 1.0%。纵向钢筋间距，抗震设计不宜大于 200mm；非抗震设计时，不宜大于250mm，且均不应小于 80mm。抗震设计时柱内全部纵向钢筋配筋率不宜大于 4.0%.抗震设计时, 框支柱箍筋应采用复合螺旋箍或井字复合箍，箍筋直径不应小于 10 mm，间距不应 大于 100 mm 和 6 倍纵向钢筋直径的较小值，并应沿柱全高加密；一、二级框支柱加密区的配箍特征 值应比表 5.6.6 规定的数值增加 0.02，且体积配筋率不应小于 1

33、.5%。非抗震设计时，框支柱宜采用复 合螺旋箍或井字复合箍，其体积配筋率不应小于 0.8%，箍筋直径不宜小于 10 mm，间距不宜大于 150 mm。框支柱在上部墙体厚度范围内的纵向钢筋应伸入上部墙体内不少于一层，其余柱筋应锚入梁内或 板内。锚入梁内的钢筋长度，从柱边算起不应小于 laE （抗震设计时）或 la （非抗震设计）。6. 转换层上、下部剪力墙的构造要求（1）框支梁上部墙体的构造要求 试验研究及有限元分析结果表明，在竖向及水平荷载作用下，框支边柱上墙体的端部，中间柱上0.2ln （ ln 为框支梁净跨）宽度及 0.2ln 高度范围内有大的应力集中，因此这些部位的墙体和配筋应予 以加强

34、，且应满足下列要求：a当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，并应按约束边缘构件的要求进行配筋计算。b. 框支梁上墙体竖向钢筋在转换梁内的锚固长度，抗震设计时不应小于 laE ，非抗震设计时不应 小于 la 。c. 框支梁上一层墙体的配筋宜按下列公式计算：柱上墙体的端部竖向钢筋面积 As ：As = hc bw (01 f c ) / f y柱边 0.2ln 宽度范围内竖向分布钢筋面积 Asw ：Asw = 0.2ln bw (02 f c ) / f yw框支梁上的 0.2ln 高度范围内水平分布钢筋面积 Ash ：Ash = 0.2ln bw x max / f

35、yh（9.1.7）（9.1.8）（9.1.9）式中， ln 为框支梁净跨； hc 为框支柱截面高度； bw 为墙截面厚度； 01 为柱上墙体 hc 范围内考虑风 荷载、地震作用效应组合的平均压应力设计值； 02 为柱边墙体 0.2ln 范围内考虑风荷载、地震作用 效应组合的平均压应力设计值； x max 为框支梁与墙体交接面上考虑风荷载、地震作用效应组合的平均拉应力设计值。有地震作用效应组合时，式（9.1.7）、（9.1.8）和（9.1.9）中 01 、02 、x max 均应乘以 RE ， RE取 0.85。d转换梁与其上部墙体的水平施工缝处宜按式（6.9.23）的规定验算抗滑移能力。（2）

36、剪力墙底部加强部位的构造要求 落地剪力墙几乎承受全部地震剪力，为了保证其抗震承载力和延性，截面设计时，特一、一、二级落地剪力墙底部加强部位的弯矩设计值应分别按墙底截面有地震作用效应组合的弯矩值乘以增大 系数 1.8、1.5 和 1.25 后采用；其剪力值应按式（6.9.1）和（6.9.2）的规定进行调整，特一级的剪力增大系数应取 1.9。落地剪力墙的墙肢不宜出现偏心受拉。 部分框支剪力墙结构，剪力墙底部加强部位墙体的水平和竖向分布钢筋最小配筋率，抗震设计时不应小于 0.3%，非抗震设计时不应小于 0.25%；抗震设计时钢筋间距不应大于 200 mm，钢筋直径不应小于 8 mm。 框支剪力墙结构

37、剪力墙底部加强部位，墙体两端宜设置翼墙或端柱，抗震设计时尚应设置约束边缘构件。 落地剪力墙的基础应有良好的整体性和抗转动的能力。9.1.4厚板转换层结构设计1. 结构内力分析(1) 结构整体计算方法带厚板转换层的高层建筑可采用三维空间结构分析程序（如 TBSA、SDTB、 ETS4、TAT 等）进 行整体结构内力分析。由于在杆系分析模型中，不能直接考虑板厚的作用，故可将实体厚板转化为等 效交叉梁系。图 9.1.7（a）为厚板的实际结构平面，其计算简图如图 9.1.7（c），梁截面高度可取转换 板厚度，梁截面宽度可取为支承柱的柱网间距，即每一侧的宽度取其间距之半图 9.1.7（b），但不 应超过

38、板厚的 6 倍。l4 /2B6 B6 B5 l3l3 /2 l4 /2B5B1B2B3l 4 l1 l1 l2 l2 B4 l1l222 22l3 /2B4B1B2B3（a）b（b）（c）图 9.1.7 转换厚板的计算简图带厚板转换层的高层建筑也可采用组合有限元法进行结构整体内力分析，即梁、柱构件划分为杆 系单元，剪力墙划分为墙单元，厚板可划分为实体单元或厚板单元。此法可一次求得结构整体内力和 厚板局部应力，但单元数目很大，计算工作量也很大。（2）厚板局部应力计算方法 当采用三维空间结构分析程序进行整体结构内力分析时，实体厚板被转化为等效交叉梁系，由整体分析可得到交叉梁系的弯矩和剪力，此时尚应

39、采用实体三维单元对厚板进行局部应力的补充计算。 对厚板来讲，剪切变形不宜忽略，故应采用厚板理论进行分析，一般采用八节点等参单元。2. 截面设计及构造要求（1）转换厚板的厚度可由受弯、受剪、受冲切承载力计算确定。实际工程中转换厚板的厚度可达 2.02.8m，约为柱距的 1/51/3。转换厚板可局部做成薄板，薄板与厚板交界处可加腋；转换厚 板亦可局部做成夹心板。（2）转换厚板宜按整体计算时所划分的等效交叉梁系的剪力和弯矩设计值进行截面设计，并按 有限元法分析结果进行配筋校核。受弯纵向钢筋可沿转换板上、下部双层双向配置，每一方向总配筋率不宜小于 0.6%。转换板内暗梁抗剪箍筋的面积配筋率不宜小于 0

40、.45%。（3）为防止转换厚板的板端沿厚度方向产生层状水平裂缝，宜在厚板外周边配置钢筋骨架网进 行加强。（4）与转换厚板相邻的上一层及下一层的楼板应适当加强，楼板厚度不宜小于 150mm。（5）与转换厚板连接的上、下部剪力墙、柱的纵向钢筋均应在转换厚板内可靠锚固。9.1.5桁架转换层结构设计1. 桁架转换层的主要结构形式桁架转换层可采用单层空腹桁架图 9.1.8（a）、单层混合空腹桁架图 9.1.8（b）、叠层空腹桁 架图 9.1.8（c）和叠层混合空腹桁架图 9.1.8（d）。空腹桁架设置一定数量斜杆后，相当一部分竖 向荷载改变传力路径，起到类似拱的传力机构。因此，采用单层或叠层混合空腹桁架

41、作为转换层结构， 是一种较为合理的结构方案。(a) bc d图 9.1.8 转换桁架形式转换桁架的选型应由下部建筑所需要的空间大小和其承托的上部结构层数综合确定。当下部建筑 所需要的空间不是很大，且承托的上部结构层数不多时，可采用单层桁架转换层；反之，可采用叠层 桁架转换层。2. 结构内力分析目前，工程设计中应用的高层建筑结构分析程序大多采用楼盖在自身平面内刚度为无穷大的假 定，因而采用这种程序无法直接计算位于楼盖平面内杆件（梁单元）的轴力和轴向变形。在带斜腹杆 的桁架转换结构中，不仅斜腹杆内有较大的轴力和轴向变形，而且与之相连的上、下弦杆（位于楼盖 平面内的梁单元）也存在较大的轴力和轴向变形

42、。因此，对于上、下弦杆计算其截面配筋时，不仅应 考虑弯矩、剪力和扭矩的作用，而且应计及轴力的影响。实际工程设计中，可采用下述简化方法计算。（1）将转换桁架置于整体空间结构中进行整体分析。此时，腹杆作为柱单元，上、下弦杆作为 梁单元，按空间协同工作或三维空间结构分析程序计算其内力和位移。计算时，转换桁架按杆件的实 际布置参与整体分析，其中上、下弦杆的轴向刚度和弯曲刚度中应计入楼板的作用（上、下弦杆每侧 有效翼缘宽度可取 6 倍楼板厚度，且不大于相邻弦杆间距的 1/2）。由此可得上、下弦杆的弯矩、剪力 和扭矩以及腹杆内力。（2）将整体分析得到的转换桁架上部柱下端截面内力（ M b ,V b , N

43、 b ）和下部柱上端截面内力ccc（ M t ,V t , N t ）作为转换桁架的外荷载（图 9.1.9），采用考虑杆件轴向变形的杆系有限元程序计算各c c c种工况下转换桁架上、下弦杆的轴力。对各种工况进行组合，得上、下弦杆的轴向力设计值。bb NcMcbVctMc3. 截面设计与构造要求tVctNc图 9.1.9 转换桁架局部计算简图（1）采用整体空间分析所得的梁单元的弯矩、剪力和扭矩值作为转换桁架上、下弦杆的弯矩、 剪力和扭矩，将局部分析所得到的轴力作为上、下弦杆的轴力，按偏心受力构件计算上、下弦杆的配 筋。（2）框架-核心筒、筒中筒结构的上部密柱转换为下部稀柱时，可采用转换梁或转换桁

44、架。转换 桁架宜满层设置，其斜杆的交点宜作为上部密柱的支点。转换桁架的节点应加强配筋及构造措施，防 止应力集中产生的不利影响。（3）采用空腹桁架转换层时，空腹桁架宜满层设置，应有足够的刚度保证其整体受力作用。空 腹桁架的上、下弦杆宜考虑楼板的作用，竖杆应按强剪弱弯进行配筋设计，加强箍筋配置，并加强上、 下弦杆的连接构造。空腹桁架应加强上、下弦杆与框架柱的锚固连接构造。9.2带加强层高层建筑结构9.2.1加强层的主要结构形式当高层建筑结构的高度较大、高宽比较大或侧向刚度不足时，可采用加强层予以加强。加强层构 件有三种：伸臂、腰桁架和帽桁架、环向构件。1. 伸臂如 2.1.6 小节所述，当框架-核

45、心筒结构的侧向刚度不能满足设计要求时，可沿竖向利用建筑避难 层、设备层空间，设置适当刚度的水平伸臂构件，构成带加强层的高层建筑结构。关于伸臂的作用、 布置等问题将在下面说明。2. 腰桁架和帽桁架在筒中筒结构或框架-筒体结构中，由于内筒（实腹筒）与周边柱的竖向应力不同、徐变差别、 温度差别等，引起内、外构件竖向变形不同，内、外构件的竖向变形差会使楼盖构件产生变形和相应 的应力。如果结构高度较大，内、外构件的竖向变形差会较大，会使楼盖构件产生较大的附加应力， 从而将减少楼盖构件承受使用荷载和地震作用的能力。为了减少内、外构件竖向变形差带来的不利影 响，可以在内筒与外柱间设置刚度很大的桁架或大梁，通

46、过它来调整内、外构件的竖向变形。如果仅 为了减小重力荷载、徐变变形和温度变形产生的竖向变形差，在 3040 层的高层建筑结构中，一般 在顶层设置一道桁架即可显著减少竖向变形差，称其为帽桁架；当结构高度很大时，除设置帽桁架外， 可同时在中间某层设置一道或几道桁架，称其为腰桁架。伸臂与腰桁架、帽桁架可采用相同的结构形式，但二者的作用不同。在较高的高层建筑结构中， 如果将减小侧移的伸臂结构与减少竖向变形差的帽桁架或腰桁架结合使用，则可在顶部及（0.50.6） H (H 为结构总高度)处设置两道伸臂，综合效果较好。3. 环向构件环向构件是指沿结构周边布置一层楼或两层楼高的桁架，其作用是：（1）加强结构

47、周边竖向构件的联系，提高结构的整体性，类似于砌体结构中的圈梁。（2）协同周边竖向构件的变形，减小竖向变 形差，使竖向构件受力均匀。在框筒结构中，刚度很大的环向构件加强了深梁作用，可减小剪力滞后； 在框架-筒体结构中，环向构件加强了周边框架柱的协同工作，并可将与伸臂相连接的柱轴力分散到 其他柱子上，使相邻柱子受力均匀。环向构件可采用实腹环梁、斜杆桁架或空腹桁架。由于采光通风等要求，实际工程中很少采用实 腹环梁，多采用斜杆桁架或空腹桁架。伸臂、腰桁架和帽桁架、环向构件三者如同时设置，宜设置在同一层。 本节仅介绍带伸臂加强层高层建筑结构的设计方法。9.2.2伸臂加强层的作用及布置1伸臂加强层的作用及

48、对整体结构受力性能的影响在框架-核心筒结构中，采用刚度很大的斜腹杆桁架、实体梁、整层或跨若干层高的箱形梁、空 腹桁架等水平伸臂构件，在平面内将内筒和外柱连接（图 2.1.18），沿建筑高度可根据控制结构整体 侧移的需要设置一道、二道或几道水平伸臂构件（或称水平加强层）（图 2.1.19）。由于水平伸臂构件 的刚度很大，在结构产生侧移时，它将使外柱拉伸或压缩，从而承受较大的轴力，增大了外柱抵抗的 倾覆力矩，同时使内筒反弯，减小侧移。另由图 2.1.21 可见，沿结构高度设置一个加强层，相当于在 内筒结构上施加了一个反向力矩，可以减小内筒的弯矩。由于伸臂加强层的刚度（包括平面内刚度和侧向刚度）比其

49、他楼层的刚度大很多，所以带加强层 高层建筑结构属竖向不规则结构。在水平地震作用下，这种结构的变形和破坏容易集中在加强层附近， 即形成薄弱层；伸臂加强层的上、下相邻层的柱弯矩和剪力均发生突变，使这些柱子容易出现塑性铰 或产生脆性剪切破坏。加强层的上、下相邻层柱子内力突变的大小与伸臂刚度有关，伸臂刚度越大， 内力突变越大；加强层与其相邻上、下层的侧向刚度相差越大，则柱子越容易出现塑性铰或剪切破坏， 形成薄弱层。因此，设计时应尽可能采用桁架、空腹桁架等整体刚度大而杆件刚度不大的伸臂构件， 桁架上、下弦杆（截面小、刚度也小）与柱相连，可以减小不利影响。另外，加强层的整体刚度应适 当，以减小对结构抗震的

50、不利影响。2伸臂加强层的布置（1）沿平面上的布置 水平伸臂构件的刚度比较大，是连接内筒和外围框架的重要构件，设计中应尽量使其贯通核心筒，以保证其与核心筒的可靠连接。伸臂构件在平面上宜置于核心筒的转角（图 2.1.18）或 T 字节点处， 避免核心筒墙体因承受很大的平面外弯矩和局部应力集中而破坏。水平伸臂构件与周边框架的连接宜采用铰接或半刚接。（2）沿竖向的布置 高层建筑设置伸臂加强层的主要目的在于增大整体结构刚度、减小侧移。因此，有关加强层的合理位置和数量的研究，一般都是以减小侧移为目标函数进行分析和优化。经过大量的研究分析，得到 如下的结论：当设置一个加强层时，其最佳位置在底部固定端以上（0

51、.600.67）H（H 为结构总高 度）之间，即大约在结构的 2/3 高度处；当设置两个加强层时，如果其中一个设在 0.7H 以上（也 可在顶层），则另一个设置在 0.5H 处，可以获得较好的效果；设置多个加强层时结构侧移会进一步 减小，但侧移减小量并不与加强层数量成正比；当设置的加强层数量多于 4 个时，进一步减小侧移的 效果就不明显。因此，加强层不宜多于 4 个。设置多个加强层时，一般可沿高度均匀布置。根据上述研究结果，高层规程规定：带加强层高层建筑结构，其加强层位置和数量要合理有 效，当布置 1 个加强层时，位置可在 0.6H 附近；当布置 2 个加强层时，位置可在顶层和 0.5H 附近

52、；当布置多个加强层时，加强层宜沿竖向从顶层向下均匀布置；其中 H 为结构总高度。9.2.3结构分析1精细分析方法带加强层高层建筑结构应按三维空间分析方法进行整体内力和位移计算，其水平伸臂构件作为整 体结构中的构件参与整体结构计算。计算时，对设置水平伸臂桁架的楼层，宜考虑楼板平面内变形， 以便得到伸臂桁架上、下弦杆的轴力和腹杆的轴力。在结构整体分析后，应取整体分析中的内力和变 形作为边界条件，对伸臂加强层再做一次单独分析。采用振型分解反应谱法计算带加强层高层建筑结构的地震作用时，应取 9 个以上的振型；并应进 行弹性和弹塑性时程分析的补充计算和校核，其中场地地震动参数应由当地地震部门进行专门研究

53、后 确定。在重力荷载作用下，应进行较精确的施工模拟计算，并应计入竖向温度变形的影响。加强层构件 一端连接内筒，另一端连接外框柱。外框柱的轴向压缩变形和竖向温度变形均大于核心筒的相应变形， 分析时如果按一次加载的图式计算，则会得到内外竖向构件产生很大的竖向变形差，从而使伸臂构件 在内筒墙端部产生很大的负弯矩，使截面设计和配筋构造变得困难。因此，应考虑竖向荷载在实际施 工过程中的分层施加情况，按分层加载、考虑施工过程的方法计算。另外，应注意在施工程序（设施 工后浇带等）和连接构造上采取措施，减小外框柱和核心筒的竖向变形差。2近似分析方法在初步设计阶段，为了确定加强层的数量和位置，可采用近似分析方法

54、。该法采用下列假定： 结构为线弹性；外框柱仅承受轴力；伸臂与筒体、筒体与基础均为刚性连接；筒体、柱以及伸 臂的截面特性沿高度为常数。根据上述假定，对于带两个伸臂加强层的高层建筑结构，在均布水平荷载作用下的计算简图如图9.2.1（a）所示，其中坐标原点取在结构顶点。如取静定的内筒为基本体系，则该结构为两次超静定。 在每一个伸臂加强层位置，其变形协调方程表示筒体的转角等于相应伸臂的转角。筒体的转角以其弯 曲变形描述，而伸臂的转角则以柱的轴向变形和伸臂的弯曲变形描述。均布荷载0q/单位高度(EI) 1 x剪力墙筒EIx1 2柱(EA)cx2 2H Mx =高度qx 22M12M2 qx -2qx 2

55、-2 M 1M1 -M2d/2弯矩d/2(a)（b）（c）（d）（e）图 9.2.1 带两个伸臂加强层高层建筑结构的简化计算简图及核心筒弯矩图按上述方法可得结构的内力和位移如下：(1)内力 伸臂加强层对内筒的约束弯矩：qs (H 3 x 3 ) + s(H x)( x 3 x 3 )221M = 1 1 2 2 1 (9.2.1)s216EI1 + s1 s(2H x1 x2 ) + s(H x2 )( x2 x1 )3M 2 =q s1 ( H x 3 ) + s( H x )( H 32 x 3 ) ( H x )( H 322 x 3 )（9.2.2）216 EIs1 + s1 s( 2

56、 H x1 x2 ) + s( H x2 )( x2 x1 )式中： s = 1EI+2cd 2 (EA), s1=d12(EI ) 0在求得伸臂的约束弯矩 M1 和 M 2 后，内筒任意截面 x 处的弯矩 M ( x) 图 9.2.1（e）可写为：qx 2M ( x) = M 1 M 22（9.2.3）式中， M1 仅对 x x1 区段有效， M 2 仅对 x x2 区段有效。 由于伸臂作用产生的柱轴力：在 x1 x x2 区段 在 x x2 区段伸臂中的最大弯矩： 在加强层 1 处：在加强层 2 处：N = M 1 / dN = (M1 + M 2 ) / dM max = M 1b /

57、dM max = M 2b / d（9.2.4）（9.2.5）（9.2.6）（9.2.7）在式（9.2.1）（9.2.7）中：EI , H 分别表示筒体的抗弯刚度及高度；q 表示水平均布荷载集度；x1 , x2 分别表示自筒体顶部向下至伸臂加强层 1，2 的距离；M1 ，M 2 表示两个伸臂作用于筒体的约束弯矩； (EA)c 为外框柱的轴向刚度（其中 Ac 取一侧外柱的横截面面积之和）； (EI )0 表示伸臂的有效抗弯刚 度，设伸臂加强层的实际抗弯刚度为 (EI )0 (见图（9.2.2），考虑筒体的宽柱效应，则有效抗弯刚度为其中，a,b 的意义见图 9.2.2。(EI )0 = (1 +a

58、 )3b(EI )0内筒（9.2.8）0(EI)a b22a+b=d/2(2)结构顶点位移4图 9.2.2 加强层简图u = qHt8EI 12EI1M 1(H 2 x 2 ) + M(H 2 x 2 )（9.2.9）式中等号右侧第一项为筒体单独承受全部水平荷载作用时的顶点位移，第二项表示伸臂约束弯矩 M1和 M 2 所减少的顶点位移。另外由式（9.2.9），还可得到使结构顶点位移最小时伸臂加强层的最佳位置。这可将式（9.2.9）右侧第二项分别对 x1 及 x2 求导得其最大值。9.2.4构造要求（1）带加强层的高层建筑结构，为避免在加强层附近形成薄弱层，使结构在罕遇地震作用下能 呈现强柱弱梁

59、、强剪弱弯的延性机制，加强层及其相邻的框架柱和核心筒剪力墙的抗震等级应提高一 级，一级提高至特一级，若原抗震等级为特一级则不再提高；加强层及其上、下相邻一层的框架柱， 箍筋应全柱段加密，轴压比从严控制。柱纵向钢筋总配筋率，抗震等级为一级时不应小于 1.6%，二级时不应小于 1.4%，三、四级及非 抗震设计时不应小于 1.2%；总配筋率不宜大于 5%。（2）加强层及其相邻楼层核心筒的配筋应加强，其竖向分布钢筋和水平分布钢筋的最小配筋率， 抗震等级为一级时不应小于 0.5%，二级时不应小于 0.45%，三、四级和非抗震设计时不应小于 0.4%， 且钢筋直径不宜小于 12mm，间距不宜大于 100mm。（3）加强层及其相邻层楼盖刚度和配筋应加强，楼板应采用双层双向配筋，每层每方向钢筋均 应拉通，且配筋率不宜小于 0.35%；混凝土强度等级不宜低于 C30。24009.3错层结构A9.3.1错层结构的应用及适用范围近年来，错层结构时有出现，多数为高层商品住宅楼。开发商为了获得多样变化的住宅室内空间， 常将同一套单元内的几个房间设在不同