高層建筑箱形轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計的實踐與體會

摘 要：本文結(jié)合工程實例，對工程整體結(jié)構(gòu)采用ANSYS軟件進行有限元分析，并將ANSYS軟件計算結(jié)果和SATWE軟件計算結(jié)果進行比較，總結(jié)了箱形轉(zhuǎn)換層的整體空間工作性能和轉(zhuǎn)換層上下蓋板的有利作用，明確了采用箱形轉(zhuǎn)換層的整體優(yōu)勢，可為今后類似工程設(shè)計提供借鑒。

關(guān)鍵詞：箱形轉(zhuǎn)換層；計算分析；結(jié)構(gòu)設(shè)計；抗震設(shè)計

前言

箱形轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式是單向、雙向托梁與上下層樓板之間共同工作情況下形成的，其整體性能較好，在上下層結(jié)構(gòu)布置過程中，具備有效的傳力。當(dāng)上下柱網(wǎng)、軸線錯開較多，難以用梁直接承托時，可以做成箱形轉(zhuǎn)換層。但是，箱形轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)計算分析比較復(fù)雜，目前規(guī)范 對箱形轉(zhuǎn)換層具體的分析計算方式等也并未明確。本文就結(jié)合實例，對箱形轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行詳細分析，僅供同行參考。

一、工程概況

本工程為地下1層，地上25層，平面布置基本左右對稱，總建筑面積為14542.6㎡。該樓平面長度為49.5m，平面典型寬度為13.2m，底層為商鋪，層高5.5m，上部為普通住宅，標準層層高2.8m，建筑高度為74.3m，高寬比5.67。該工程整體結(jié)構(gòu)設(shè)計采用剪力墻-部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系，轉(zhuǎn)換層位于2層樓面。根據(jù)該工程特點，結(jié)合建筑底層商鋪凈高要求，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用高度為1800mm的箱形轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。

該樓主體結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件尺寸為：落地剪力墻厚400mm（端柱800×800），轉(zhuǎn)換梁截面為800×1800mm（局部600×1800），上部剪力墻厚均為200mm。混凝土強度等級為C30～C50。轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)平面圖如圖1所示：

二、設(shè)計依據(jù)和設(shè)計計算參數(shù)

本工程建筑場地類別為Ⅲ類場地。本建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)的安全等級為二級。建筑耐火等級地面以上為二級，地下室為一級。抗震設(shè)防烈度為6度，對應(yīng)于設(shè)計基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計地震分組為第一組。本工程框支柱的抗震等級為一級，框支梁及轉(zhuǎn)換層框架梁的抗震等級為二級，框支剪力墻抗震等級為二級。一般剪力墻抗震等級底部加強部位為三級，非底部加強部位為四級。本工程基本風(fēng)壓取0.5kN/㎡（按100年重現(xiàn)期的風(fēng)壓值采用），風(fēng)荷載體型系數(shù)為1.4，地面粗糙度類別為B類。

三、箱形轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的有限元分析

3.1 ANSYS和SATWE整體計算分析

（1）結(jié)構(gòu)模態(tài)分析和周期、振型。利用ANSYS軟件對整體結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，得到結(jié)構(gòu)前6階自振周期如表1所示。其中結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比，ANSYS計算結(jié)果為0.84，SATWE計算結(jié)果為0.82，均小于規(guī)范 要求的0.85。

（2）恒載作用下結(jié)構(gòu)變形分析。在豎向荷載作用下，結(jié)構(gòu)整體豎向位移呈盆形，自下而上逐漸增大；而框支層結(jié)構(gòu)變形不大，且比較均勻。由此可見，箱形轉(zhuǎn)換層整體性較好，轉(zhuǎn)換構(gòu)件剛度較大，即使采用受力較復(fù)雜的框支主次梁體系，其整體結(jié)構(gòu)的變形仍較均勻。根據(jù)變形協(xié)調(diào)原理，轉(zhuǎn)換層上下結(jié)構(gòu)變形也比較平緩，因此轉(zhuǎn)換層附近的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力性能得到了一定程度的改善。

（3）風(fēng)荷載及地震作用下結(jié)構(gòu)位移、層間位移角見表1。由圖可知，在地震作用下的頂部最大位移及層間最大位移角小于風(fēng)荷載作用下的，兩者均滿足高規(guī) 限值1/1000的要求，同時也表明在6度設(shè)防區(qū)，高層建筑的最大位移主要由風(fēng)荷載控制，地震荷載不起控制作用。

（4）轉(zhuǎn)換構(gòu)件內(nèi)力分析。考慮箱形轉(zhuǎn)換層上下蓋板作用后，轉(zhuǎn)換梁自身所承受的彎矩有較大幅度的減小，箱形轉(zhuǎn)換層的箱體對轉(zhuǎn)換梁彎矩的分擔(dān)起到明顯的作用，上下蓋板與轉(zhuǎn)換梁組成的工字形截面的抗彎能力比普通的轉(zhuǎn)換梁有較大幅度的提高。由于上下樓板的共同作用，箱形轉(zhuǎn)換層的整體性能較好，轉(zhuǎn)換梁的整體抗剪能力得到提高，轉(zhuǎn)換梁分擔(dān)的剪力也相應(yīng)地略為增大。

3.2 ANSYS與SATWE整體計算結(jié)果對比分析與結(jié)論

（1）對于轉(zhuǎn)換梁的彎矩計算結(jié)果，ANSYS計算比SATWE計算出來的結(jié)果明顯減小，而轉(zhuǎn)換梁的剪力兩者計算結(jié)果基本一致，ANSYS計算略大一點。

（2）結(jié)構(gòu)整體設(shè)計指標（周期、振型、剪重比、剛重比、樓層位移、層間位移角等）兩者基本相同，均滿足規(guī)范 要求。

（3）與ANSYS整體計算結(jié)果相比，SATWE整體計算所得的箱形轉(zhuǎn)換梁彎矩較大，直接用于設(shè)計是偏安全，有條件時可進行補充計算，避免造成不必要的浪費和可能的安全隱患。

四、本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計要點分析

4.1 保證主體結(jié)構(gòu)的延性和豎向剛度

通過嚴格控制框支層上下構(gòu)件軸壓比以及箍筋全高加密，改善主體結(jié)構(gòu)的延性。此外，兩側(cè)轉(zhuǎn)角窗下落墻處采用長肢墻，增加兩側(cè)的豎向剛度，提高建筑物整體抗扭能力。框支柱部分縱筋延伸至框支梁以上的墻體內(nèi)，以加強上下層的可靠連接。

4.2 嚴格控制轉(zhuǎn)換梁剪壓比

嚴格控制轉(zhuǎn)換梁剪壓比，以確保轉(zhuǎn)換梁的截面尺寸，轉(zhuǎn)換梁斜截面受剪承載力主要由混凝土和箍筋承擔(dān)，作為安全儲備，水平腹筋的作用不予考慮。此外，轉(zhuǎn)換梁截面寬度適當(dāng)加大，支承轉(zhuǎn)換次梁的轉(zhuǎn)換主梁應(yīng)特別加強其平面外剛度，提高抗扭承載力，改善整體結(jié)構(gòu)受力性能。本工程轉(zhuǎn)換梁跨高比較小，其受力性能類似于深梁，因此轉(zhuǎn)換主、次梁沿梁高方向配置 20@100水平腹筋，以加強其整體受力性能和平面外剛度。

4.3 采取適當(dāng)構(gòu)造措施保結(jié)構(gòu)整體性

轉(zhuǎn)換層以上兩層墻體，按約束邊緣構(gòu)件的要求進行配筋設(shè)計，墻體洞口邊設(shè)置翼緣墻、端柱或適當(dāng)加厚，盡量避免無連梁相連、延性較差的禿頭墻。

結(jié)束語

本工程采用箱形轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)解決了上部剛度和下部使用空間的雙重要求，目前工程已竣工三年多，建筑使用正常，質(zhì)量安全可靠，為同類工程提供了理論和實踐依據(jù)。

參考文獻

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