淺析高層框剪力墻轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計

摘要:文章以某高層商住樓為例,分析了高層框支剪力墻轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)和梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計特點、結(jié)構(gòu)布置、構(gòu)造處理以及應(yīng)注意的問題。

關(guān)鍵詞:框支剪力墻結(jié)構(gòu);概念設(shè)計;剪刀墻轉(zhuǎn)換層

中圖分類號:TV397文獻標識碼:A

文章編號:1674-1145(2009)23-0149-02

隨著我國城市化建設(shè)不斷發(fā)展,城市的商業(yè)用地日趨緊張。因此,高層建筑向多功能、綜合用途的方向發(fā)展已成為趨勢,往往將大空間、大柱網(wǎng)的購物商場、餐廳、娛樂設(shè)施等功能于高層建筑的下部,而將小開間、小柱網(wǎng)的住宅、公寓、旅館、辦公室等設(shè)于中、上部。然而,對此類建筑進行結(jié)構(gòu)布置時,恰恰與正常合理的結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件布置產(chǎn)生了矛盾,為了滿足建筑功能的實現(xiàn),對此類建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計必須在上下不同結(jié)構(gòu)體系的樓層設(shè)計轉(zhuǎn)換層。

轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)形式根據(jù)平面功能的布置形式,通常有梁、雙向梁、箱形梁板、衍架、空腹析架和板式轉(zhuǎn)換層等。在實際應(yīng)用中,梁式轉(zhuǎn)換層應(yīng)用最為廣泛,其受力明確,傳力清楚,轉(zhuǎn)換梁工作可靠,構(gòu)造簡單,施工方便,結(jié)構(gòu)計算、設(shè)計也相對容易。

一、工程簡述及結(jié)構(gòu)方案布置

某高層商住樓,地上3層商業(yè)用房,27層住宅,剪力墻結(jié)構(gòu);地下為1層車庫。其中地上1~3層為商業(yè)用房,1~2層高4.5m,3層為轉(zhuǎn)換層,層高6m;3層以上為住宅,層高均為3.0m。室外地坪以上主體高度為96.45m。設(shè)計計算采用中國建筑科學(xué)研究院編制的2005版PKPM-SATWE程序進行,抗震設(shè)防6度,地震基本加速度值為0.05g,設(shè)計特征周期值為0.35s,100年一遇基本風(fēng)壓為0.9kN/m2。

根據(jù)建筑平面布置,上部住宅多為小戶型,每層戶型達到11戶,且面積均不相同。建筑底部3層為商業(yè)用房,建筑功能要求大空間大柱跨,在結(jié)構(gòu)布置時,采用框支剪力墻體系,在電梯井道、樓梯間、建筑四周等部位的能落地的墻要全部利用,原則是盡可能減少需結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的豎向構(gòu)件,縮短傳力途徑,次梁轉(zhuǎn)換應(yīng)盡量減少。

二、結(jié)構(gòu)抗震等級的確定

本工程在轉(zhuǎn)換層以下為框架—剪力墻結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)換層以上為純剪力墻結(jié)構(gòu),根據(jù)高規(guī),本工程屬于“框支剪力墻”,高度96.45,6度設(shè)防,框支框架抗震等級為二級,剪力墻底部加強部位為二級,非底部加強部位剪力墻為三級。由于本工程轉(zhuǎn)換層設(shè)在建筑4層樓面,已屬于“高位轉(zhuǎn)換”,根據(jù)《高規(guī)》10.2.5條“對部分框支剪力墻結(jié)構(gòu),當轉(zhuǎn)換層的位置設(shè)置在3層及3層以上時,其框支柱、剪力墻底部加強部位的抗震等級尚宜按本《規(guī)程》表4.8.2和表4.8.3的規(guī)定提高一級采用”,框支柱及底部加強部位剪力墻的抗等級應(yīng)提高一級,即均為一級。由于剪力墻底部加強區(qū)包含了框支層以上兩層,所以框支層以上兩層抗震等級也為一級。

三、結(jié)構(gòu)計算及設(shè)計

本工程采用SATWE軟件計算,SATWE采用墻元模擬計算剪力墻,能較好地模擬上部墻和框支梁的共同作用、實際受力狀態(tài)。根據(jù)經(jīng)驗初步先確定轉(zhuǎn)換梁截面,進行結(jié)構(gòu)整體計算后,得到轉(zhuǎn)換梁所受設(shè)計剪力后,按照不大于0.15fcbh/0.85校核截面尺寸。本工程轉(zhuǎn)換層的層高為6m,轉(zhuǎn)換梁的最大跨度為9m,轉(zhuǎn)換梁截面尺寸為(800~1200mm)×(1600~2200mm)。梁寬度不小于上部墻體厚度的兩倍,梁高度大于梁跨度的1/6,均滿足要求。經(jīng)計算調(diào)整,SATWE計算結(jié)果如下:

1.自振周期:第一扭轉(zhuǎn)周期為1.9599,第一平動周期為2.8422,周期比為0.689<0.85,滿足規(guī)范要求。

2.位移比及層間位移角。本工程最大位移比在Y+5%偶然偏心地震力作用下出現(xiàn),其值為1.30,位移比小于1.4;最大位移角為X向風(fēng)荷載作用下:1/1256;均滿足規(guī)范要求。

3.剛度比及受剪承載力。根據(jù)《高規(guī)》要求,樓層側(cè)向剛度不宜小于上部相鄰樓層的70%或其上相鄰三層側(cè)向剛度平均值的80%。轉(zhuǎn)換層所在層號4;X方向剛度比=1.1227,Y方向剛度比=1.0852,其它層剛度比也均大于1,符合規(guī)范要求。

根據(jù)《高規(guī)》要求,樓層層間抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的受剪承載力不宜小于其上一層受剪承載力的80%,不應(yīng)小于上一層受剪承載力的65%;轉(zhuǎn)換層所在層號4:X方向受剪承載力之比= 1.67,Y方向受剪承載力之比=1.55,其他層受剪承載力之比也均大于0.9,均滿足規(guī)范的要求。

4.參與振動質(zhì)量比(即有效質(zhì)量系數(shù))。震型數(shù)取了18個,X方向的有效質(zhì)量系數(shù)為94.13%,Y方向的有效質(zhì)量系數(shù)為94.55%,均滿足規(guī)范要求。

在SATWE的計算結(jié)果出來后,仔細核對框支梁的剪力,驗算剪壓比是否滿足要求,并對上部剪力墻的內(nèi)力進行檢查,核實是否準確傳遞至框支梁。

采用PMSAP軟件進行復(fù)核,結(jié)構(gòu)自振周期計算如下:

經(jīng)過對比,SATWE與PMSAP的計算結(jié)果較為接近,均在現(xiàn)行規(guī)范及以往工程經(jīng)驗合理值范圍內(nèi),因此SATWE的計算結(jié)果可作為配筋依據(jù)。

四、其他構(gòu)造加強措施

本工程框支梁承受上部27層樓傳下的內(nèi)力,受力巨大、情況復(fù)雜,是一個復(fù)雜的受力構(gòu)件,因此設(shè)計時應(yīng)留有一定的富余儲備?？蛑Я菏芗艉艽?必須遵循“強剪弱彎”的原則,所以箍筋也要留有富余,本工程梁砼強度等級為C50,有利于框支梁提高抗剪承載力;在結(jié)構(gòu)設(shè)計中次梁轉(zhuǎn)換是不可避免的,尤其是當上部偏心荷載較大時,框支主梁受到的扭矩作用也越大,為減少框支主梁的受到的扭矩,將次梁的截面尺寸適當加大,使次梁端負彎矩變得更小,以減小主梁內(nèi)的扭矩;由于轉(zhuǎn)換梁與上部剪力墻共同作用,轉(zhuǎn)換梁內(nèi)有軸力存在,所以也要適當加大腰筋的配筋率。

轉(zhuǎn)換層以上結(jié)構(gòu)上部的水平剪力通過轉(zhuǎn)換層傳到下部結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)換層樓面在其平面內(nèi)受力很大,樓板變形顯著,為保證轉(zhuǎn)換層樓板有一定剛度,同時也有利于轉(zhuǎn)換層在其平面內(nèi)進行剪力重分配,本工程將轉(zhuǎn)換層的樓板厚度加大到250mm,板混凝土強度等級與梁同為C50,這樣不僅增大了樓板平面內(nèi)剛度,也加強了轉(zhuǎn)換梁的側(cè)向剛度和抗扭能力,采用雙向雙排鋼筋網(wǎng),每排鋼筋的配筋率> 0. 25%。轉(zhuǎn)換層相鄰層均加大樓板厚度至150mm。

五、結(jié)語

通過轉(zhuǎn)換層高層建筑實例設(shè)計實踐得出:首先要注重概念設(shè)計,即設(shè)計人員要概念明確,思路清晰;其次,對計算分析工具要完全掌握,對其計算結(jié)果要認真分析比較,使結(jié)構(gòu)方案更趨于合理、完善;再者,框支剪力墻結(jié)構(gòu)是抗震不利的結(jié)構(gòu)體系,轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)構(gòu)件十分重要,對于框支梁、框支柱應(yīng)留有一定的富余儲備。

參考文獻

[1]章斌全.框支剪力墻轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計探索[J].工程建設(shè)與設(shè)計,2003,(2).

[2]婁宇,魏璉,丁大鈞.梁式轉(zhuǎn)換層設(shè)計中的一些問題的探討[J].四川建筑科學(xué)研究,1996,(1).

[3]唐興榮.高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工[M].北京:中國建筑工業(yè)出版,2007.

作者簡介:陳冠成(1980- ),男,廣西電力工業(yè)勘察設(shè)計研究院結(jié)構(gòu)設(shè)計師。