马 强， 韩建强， 罗 沁
（广州市设计院，广州510620）
[摘要]研究了转换层设置高度对超高层框架-核心筒结构力学性能的影响情况。计算结果表明，转换层设置高度对结构的自振周期、刚重比等整体性能指标影响较小。但是，随着转换层位置的上升，转换层处的地震作用发生了突变，楼层的地震剪力出现了不同程度的增大。并且，不同高位转换时，框架柱剪力百分比在转换层附近出现突变。这些高位转换带来的不利影响，需引起工程设计人员的警惕。
[关键词] 转换层；超高层框架-核心筒结构；力学性能
中图分类号：TU355 文章编号：1002-848X(2016)12-0018-04
0 前言
对高层建筑来说，基于建筑功能上部小空间、下部大空间的需求，致使建筑柱网上下不重合，为此结构需布置转换层加以实现。并且随着建筑高度的不断攀升，转换层的设置高度也在一并上升，形成所谓的“高位转换结构”。由此以来，转换层设置高度对高层结构力学性能的影响便引起工程设计人员的注意。国内对此也开展了不同程度的研究，徐培福等研究了转换层设置高度对框支．剪力墙结构抗震性能的影响；王森等研究了不同高位转换层对高层建筑动力特性的影响；易广智等分析了转换层位置对框架结构受力性能的影响。然而，对于高度为200m乃至300m的超高层框架-核心筒结构，转换层设置位置对其力学性能的影响尚缺乏研究。本文将以实际工程为依托，通过大量的模型分析，探索转换层设置高度对超高层框架．核心筒结构整体及局部力学性能的影响，以期获得规律性的结论，用于指导实际工程设计。
1 算例概况
本文以佛山市南海荣耀金融中心工程（建筑物总高度178m，已建成并投入使用）为背景，算例的结构布置参考该工程，其中转换层下部和上部的结构布置分别如图1、图2所示，算例的结构高度分为200，250，300m三种类型，具体结构布置信息如表1所示。同时针对不同的高度类型，考虑到商场等大空间建筑通常位于底部6层左右，将转换层分别设置在2~6层，分析中变换转换层的设置位置，即增加转换层下部层数，相应减少其上部层数，使结构总层数不变，总高度及总重量基本不变。本文算例皆采用托柱转换层，其中转换梁的主要结构信息如表2所示。
2 转换层设置高度对结构自振周期的影响
《高层建筑混凝土结构技术规程》( JGJ 3-2010)（简称高规）对结构周期比等指标有较为严格的限制。对高度为200m的框架．核心筒结构，当转换层设置在不同高度时，结构前3阶振型的自振周期如表3所示。从表3中可以看出，当转换层由2层上升到6层时，结构前3阶振型的自振周期变化并不明显，没有出现突变的情况。分析原因在于，尽管转换层自身的质量较大，但相对于高度为200m的结构本身来说，所占比例仍较小，不足以对结构本身的自振周期这一整体性能指标产生很大影响。限于篇幅，结构高度为250m和300m的周期计算结果并未列出，但结论与200m时的相似，周期均变化不大，未发生突变现象。
3 转换层设置高度对结构刚重比的影响
本文将3种高度类型的结构，当转换层设置在不同高度时的刚重比计算结果列于表4中。观察表4不难发现，对于不同的结构高度类型，当转换层设置在不同位置时，结构刚重比的变化均很微小，没有出现剧烈的改变，这一结果与周期的计算结果相似，原因也基本同前文所述，即作为结构局部的转换层对整体结构的性能较难产生根本性的影响。
4 转换层设置高度对转换层地震作用的影响
前文分析了结构的整体控制指标比如周期、刚重比的变化情况，然而在结构设计中，不仅要关心结构的整体性能，还要注意结构的局部效应。对于带有转换层的超高层框架．核心筒结构来说，转换层作为结构的关键传力部位，其自身地震作用的大小无疑将直接影响转换层的设计与安全。本文计算了当转换层设置在不同高度时，转换层Y向水平地震作用的大小，具体的计算结果列于表5中。
分析表5可得，对于高度为200m的结构来说，当转换层由2层上升到3层时，其水平地震作用从1 467. 35kN增大到1 844. 14kN，增大376. 79kN，变化幅度为25. 7%，这一数据指标对于高度为250m和300m的结构来说，分别为574. 58kN(变化幅度40. 1%)和917. 12kN（变化幅度58. 2%）。而当转换层由3层一直上升到6层时，水平地震作用变化已不太明显。由此可见，当转换层从2层上升到3层时，楼层的水平地震作用发生了突变，证实了高位转换对结构设计的不利影响，而高规对3层及以上转换层的设计要求也更为严苛，这一点需引起工程师的警惕。
5 转换层设置高度对楼层地震剪力的影响
楼层地震作用的层层累加，即为楼层在水平地震作用下的楼层剪力。楼层剪力是非常重要的地震作用效应，直接关系着结构的抗震设计。本文将200m结构高度类型在不同高位转换时，X向地震作用下1～8层楼层剪力的计算结果列于表6中。
从表6中可以看出，随着转换层位置的升高，同一楼层的地震剪力均出现了不同程度的增大。以底层为例，2层转换时，底层的剪力为16 996. 26kN，3层转换时，地震剪力增大到17 302. 72kN，待到6层转换时，这一数据指标增大到17 999. 15 k N，6层换和2层转换相比，楼层剪力的增大幅度为5.9%。限于篇幅，本文仅列出了1~8层楼层剪力的计算结
果，对于其他楼层来说，随着转换层位置的上升，楼层地震剪力均出现了不同程度的增大，平均增幅在5%左右，最高达到7.8%。
需要说明的是，尽管本文并未列出高度为250m和300m结构的楼层地震剪力数据，但计算结果表明，对于250m结构高度类型来说，楼层地震剪力随着转换层位置的升高也均出现不同程度的增大，平均增幅在5 %左右（6层转换与2层转换相比）。至于300m的情况，除了顶部几层由于长周期的影响使地震剪力有所减小外，其余层的地震剪力平均增幅也在5%左右。
楼层地震剪力的增大，也就意味着地震作用效应的增大，这势必会导致结构抗力设计值的增大，随之而来的便是结构造价的增大。尤其对于高度为200~ 300m的超高层结构来说，由于层数较多(49~68层)，尽管每层的不利效应较小，但是层层累积的话，会使整体结构的不利效应放大。这说明了高位转换对超高层结构在抗力设计和成本造价方面的不利影响。
6 转换层设置高度对框架柱分配剪力的影响
对于超高层框架一核心筒结构来说，外围框架和内部简体组成双重抗侧力体系，共同抵抗水平地震作用。然而，由于框架柱与内部剪力墙简体相比，其刚度常常较弱，为了增加框架的抗力储备，需对框架部分分担的剪力进行调整，高规对此作了较为详细的规定。《高层建筑结构设计和计算（上册）》也指出，框架内力的调整，不是力学计算的要求，而是一种保证框架安全的设计措施。本文计算了200m高的框筒结构，当转换层设置在不同高度时，1~8层框架柱剪力百分比（柱剪力与层剪力的比值）具体结果如表7所示。
分析表7可以得出如下规律：在2层到6层的任何一层转换，转换层及其上部相邻一层的框架柱剪力百分比都较大，基本在50%左右，但是对于转换层下部相邻一层及上部相邻二层，框架柱剪力百分比较小，出现了小于20%的情况，也就是说框架柱剪力百分比在转换层附近出现了突变。为此，需加强对转换层相邻上下层的框架柱设计，以增加安全储备，应对剪力百分比突变这一不利效应。至于高度为250m和300m的情况，计算结果表明，框架柱所分配到的剪力在转换层附近均出现较为剧烈的变化。
7 结论
综上所述，转换层设置高度对超高层框架核心一筒结构的整体性能指标影响较小，而对结构局部性能指标影响较大，具体表现在：
(1)对于高度为200，250，300m的超高层框架-核心筒结构，当转换层设置在2～6层时，结构的自振周期和刚重比变化微小，未出现突变情况。
(2)当转换层由2层上升到3层时，转换层的水平地震作用发生了剧烈变化，增大幅度最高者( 300m)达58.2%。因此在设计中，需警惕3层及以上高位转换的不利影响。
(3)随着转换层位置的升高，结构各楼层的地震剪力出现了不同程度的增大，6层转换和2层转换相比，增幅在5%左右。这会对结构的抗力设计和成本造价带来负面影响。
(4)不同高位转换时，框架柱分配到的地震剪力在转换层附近发生了突变，为此需加强转换层相邻上下层的框架柱设计，以保证结构的安全储备。
