高層建筑轉換層側向剛度計算方法的探究

李金石

摘 要：本文主要針對轉換層剪力墻結構側向剛度的計算方法展開了探究，簡要介紹了高規JGJ3‐2002、JGJ3‐2010的計算方法，對新的計算方法及與高規法的溝通作了系統闡述，并結合了具體的算法案例，以期能為有關方面的需要提供參考借鑒。

關鍵詞：高層建筑轉換層；層側向剛度；計算方法

0 前言

所謂的轉換層，是指建筑物某層的上部與下部平面使用功能不同，該樓層上部與下部采用不同結構類型，并通過該樓層進行結構轉換的結構。而剪力墻，是指房屋或構筑物中主要承受風荷載或地震作用引起的水平荷載和豎向荷載的墻體。基于此，本文就轉換層剪力墻結構側向剛度的計算方法進行了探究，相信對有關方面有一定的幫助。

1 高規JGJ3‐2002、JGJ3‐2010的計算方法

老高規和新高規對轉換層上下結構層側向剛度均近似采用層所有剪力墻豎向構件只考慮柱假設兩端無轉動和剪切變形，只考慮彎曲變形的近似層總側向剛度計算公式，

（1）

式中， ； Awi為第i層全部剪力墻在計算方向的有效截面面積；hi為i層層高；G為i層剪力墻混凝土的剪切彈性模量。

當樓層內有柱時，式Ai中尚應包括柱兩端假設無轉動時的側移剛度，近似用下式表示：

（2）

（3）

式中：hcij為第i層第j根柱沿計算方向的截面高度。

高規明確規定當轉換層在1、2層時可采用轉換層與其相鄰上層結構的等效剪切剛度比表示轉換層上、下層結構剛度的變化。

當轉換層在1層時，

（4）

式中，h1、h2分別為1層2層的層高。

當轉換層在2層時，

（5）

式中，h3為3層的層高。

以上公式表明，高規轉換層層側向剛度是假定該樓層所有剪力墻豎向構件僅考慮剪切變形來求得側向剛度，其中柱子假設兩端無轉角產生相對單位側移時的剪力為其側向剛度。

這一計算方法的優點是把結構層側向剛度以僅與結構層豎向構件自身幾何物理屬性有關的形常數來表達，而與外荷載無關，這是正確的，但此法實質上是對層豎向構件兩端的轉動約束假設為無限剛約束且假設整個水平構件為無轉動狀態時，層產生單位側移 時，這與實際情況不相符合，尤其是在轉換層的上層和下層，其水平構件的抗彎剛度一般都不大，與假設無限剛相去甚遠，即使轉換層梁板自身抗彎剛度較大，也和無限剛假設有較大差距，因此這一計算方法的合理性和準確性尚需進一步的研究。

2 新的計算方法及與高規法的溝通

當轉換層在一層時，轉換層處產生單位水平位移 時，所需施加的水平力，即為該層的側向剛度k1，當轉換層在二層時，一層無側移 ，轉換層處產生水平位移 時，所需施加的水平力即為該層的層側向剛度k2。

以上方法既考慮了層豎向構件的受力特性，也考慮了豎向構件兩端實際的轉動約束，因而是比較合理的。考慮到轉換層上下層豎向構件兩端的約束與無限剛假定相差甚遠，可以判定現高規計算方法求得的層側向剛度計算結果必然偏大，有時會偏大很多，這是設計時值得注意的，為了更清楚地闡明這個問題，可對兩法作進一步的溝通。

高規法計算轉換層層側向剛度時，將轉換層及相連上層或下層水平構件假定為無限剛，并只計算層剪力墻豎向構件的剪切變形導出的層側向剛度計算公式，而新方法則不但計入了轉換層自身及相鄰的上下層水平構件彎曲變形，還計入了層豎向構件的彎曲變形影響，不但在理論上較為合理，而且適當簡化后還可以與高規法相互均通。現以轉換層在一層時為例進行說明，當轉換層在一層時，假設轉換層水平構件彎曲剛度為無限剛，計算模型可簡化為圖1所示，此時由于各豎向構件軸向變形并未制約，轉換層水平構件整體轉角 ，由此求得的層側向剛度k1與高規法仍會略有差異，但可以判斷此項影響很小，與用高規法求得的結果應較接近；如在圖1模型基礎上，對轉換層水平構件施加豎向變形約束，則此時轉換層下各豎向構件的變形狀態將與高規法所作假定計算模型完全一致，從理論上分析，兩者計算結果應完全一致，但高規法近似將剪力墻作為構件處理，而現有程序均將剪力墻按有限單元法計算，所以二者實際計算結果仍會有一定差別，

圖1 圖2

3 算例

算例：某30層框支轉換層結構，轉換層設置在1層，結構平面如圖3。采用新高規法與新方法計算轉換層上下層的側向剛度及相應的層側剛比，計算結果如表1。

圖3 轉換層結構布置示意圖

（轉換層下柱截面均為800x800，墻厚500mm，轉換層上部截面厚均為200mm）

表1 轉換層在1層時層側向剛度（104KN/mm）

算例清楚表明，由于假設轉換層及上下相鄰層水平構件剛度為無限剛，高規層剪切剛度計算方法，求得的層側向剛度計算結果分別偏大2.05至2.68倍，由此引起層側剛比計算結果偏小6%或偏大16%，當結構構件情況變動時，誤差有可能更大，事前也難以判斷孰偏大或孰偏小，這對設計將帶來頗為不利的影響。

4 結語

如今，隨著我國建筑技術的發展進步，帶轉換層的部分框支剪力墻高層建筑得到了廣泛應用。如果整體計算中側向剛度不滿足要求時， 可以通過調整轉換層上下幾層落地剪力墻位置、墻厚、數量、混凝土強度等級等手段使側向剛度滿足要求， 從而減少地震作用下給結構帶來嚴重損害的可能性， 真正保證復雜結構設計的合理性、安全性。

參考文獻

[1]榮維生、王亞勇、周仁刀.轉換層上、下結構側向剛度對帶板式轉換高層建筑結構抗震性能的影響[J].工程抗震與加固改造.2004（06）.

[2]魏璉、王森、孫仁范.高層建筑結構層側向剛度計算方法的研究[J].建筑結構.2014（06）.