淺談轉換層高層結構設計

杜萌 李盛 戰小康

1 概述

隨著我國經濟的持續快速發展,高層建筑一般上部需要較多的墻體來分隔空間以滿足住宅戶型的需要;而下部則希望有較大的自由靈活空間,大柱網、少墻體,以滿足公共使用要求。這樣的建筑上部樓層部分豎向構件(剪力墻、框架柱)不能直接連續貫通落地時,為了滿足建筑要求就必須在上下不同結構體系轉換的樓層設置轉換層,在結構轉換層布置轉換結構構件。

轉換層結構形式有以下幾種:梁式轉換層、板式轉換層、箱式轉換層、桁架式轉換層、空腹桁架式轉換層等。

2 工程概況

日照某住宅小區工程,總建筑面積123 792 m2,本文涉及本工程3號樓主體結構地上10層,建筑面積4 500 m2,地下1層,-1層為設備用房,1層,2層為商業網點,3層以上為住宅,建筑高度為32.35 m,本工程2層轉換,采用梁式轉換。

工程設防烈度為7度,0.10g,場地類別為Ⅱ類,設計地震分組為第一組。框支部分的抗震等級為二級,基本風壓值為0.40 kN/m2,地面粗糙度為 B類。本工程梁板柱混凝土等級為 C30,采用PKPM的SATWE進行結構整體計算。

3 結構布置

帶轉換層高層建筑結構由于上、下層豎向構件不連續,結構豎向剛度發生變化,轉換層上下樓層構件內力、位移容易發生突變,對抗震不利,形成薄弱層、軟弱層(《建筑抗震設計規范》第3.4.2條,以下簡稱《抗規》)。故采用轉換層結構設計時應遵循以下原則:

盡可能減少需結構轉換的豎向構件,直接落地的豎向構件越多,轉換結構越少,轉換層造成的剛度突變就越小,對結構抗震更有利。故在本工程中,樓梯間、電梯間等?軸線北側及南側橫墻剪力墻直接落地,并且墻厚加大為300 mm(轉換層以上墻厚為200 mm),轉換層板厚取180 mm,為地下室頂嵌固端,?軸線南側框支柱的截面尺寸為600×600,因建筑需要增加商業網點,南側又新增一跨框架,如圖1所示。轉換梁的跨度為6.9 m,截面尺寸取550×1 300,計算振型個數為24個。

轉換層結構在高層建筑豎向的位置宜低不宜高,根據《高層建筑混凝土結構技術規程》(以下簡稱《高規》)規定,底部大空間部分框支剪力墻高層建筑結構在地面以上的大空間層數,8度時不宜超過3層,7度時不宜超過5層,6度時其層數可以適當增加,本工程轉換層位置位于2層頂,在規范允許范圍內。

4 計算結果

4.1 剛度比

根據《高規》第5.1.14條規定,經計算,X,Y方向本層塔側移剛度與上一層相應塔側移剛度70%的比值或上三層平均側移剛度80%的比值中之較小者結果為Ratx1=1.239 0,Raty1=1.577 0,符合規范要求。

根據《高規》附錄E的規定,轉換層上部與下部結構的等效側向剛度比宜接近1,不應大于1.3。根據SATWE結果,3層的X向剛度比為1.06,Y向剛度比為1.12,符合規范要求。

4.2 周期比

平動第一周期T1=0.875 0,扭轉第一周期T2=0.762 2,T2/T1=0.87,符合《高規》4.3.5條周期比的規定。

4.3 位移比

最大位移比為1.19,符合《高規》4.3.5條規定;框支層最大位移角為1/1 858,符合《高規》4.6.3條規定。

4.4 結構的穩定性驗算

X向剛重比EJd/GH2=13.21,Y向剛重比EJd/GH2=12.71。

該結構剛重比EJd/GH2＞1.4,能夠通過《高規》第5.4.4條的整體穩定驗算。

該結構剛重比EJd/GH2＞2.7,可以不考慮重力二階效應。

5 構造加強措施

因為框支梁的受力很大且受力情況復雜,它不但是上下層荷載的傳輸樞紐,而且是保證框支剪力墻抗震性能的關鍵部位,起到承上啟下的作用,是一個復雜的受力構件,故設計時應設有較多富余儲備。

從受力角度上來看,在豎向荷載作用下,框支剪力墻轉換層以上的墻體有拱效應,兩支座處豎向應力大,同時有水平向應力(推力),中間會出現拉力,框支梁在豎向荷載作用下除了有彎矩、剪力外,還有軸向拉力,從正截面承載力按偏心受拉計算,斜截面承載力按拉剪計算,《高規》10.2.8第二條規定,偏心受拉的框支梁,其支座上部縱向鋼筋至少應有50%沿梁全長貫通,下部縱向鋼筋應全部直通到柱內。

在設計過程中,假定剪力墻平面外抗彎剛度為零或很小,框支梁與框支柱或梁上墻體的截面中心宜重合,此時,可將該片框支剪力墻按平面結構進行有限元計算分析,計算模型與結構實際受力狀態基本一致,計算結果是正確可靠的。若框支梁與框支柱或梁上墻體截面中心不重合,偏心距較大,則框支梁的扭矩不可忽視,如仍按上述平面結構計算,又未采取合理可靠的構造措施,會出現遺漏荷載,存在安全隱患,甚至有可能導致該框支梁的剪力和扭矩作用截面的剪壓比遠大于計算限值,使梁受剪破壞,此時應考慮偏心所產生的扭矩,或按空間結構進行有限元計算分析,并應采取合理可靠的措施,如在其平面外增設次梁以平衡平面外彎矩,加大轉換梁截面尺寸或配置抗扭鋼筋等。

6 結語

1)轉換層中的轉換梁梁高一般較大,直接影響下一層的使用層高,為了滿足建筑要求不得不加大層高,所以要加厚轉換層落地剪力墻,一方面滿足剪力墻的剛度和穩定性;另一方面加大轉換層剛度,減小剛度突變。2)轉換層首先需要選擇一個合理的結構傳力體系,除計算要求外,還應重視概念和構造設計。3)利用兩個以上的計算軟件進行分析核算,采用切實有效的措施,必要時,建議留有一定的富余儲備,保證結構安全與穩定。

[1]JGJ 3-2002,高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[2]GB 50011-2001,建筑抗震設計規范[S].

[3]陳 顥.淺談高層建筑結構轉換層[J].山西建筑,2008,34(6):92-93.