淺談轉(zhuǎn)換層高層結(jié)構(gòu)設計

杜萌 李盛 戰(zhàn)小康

1 概述

隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)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(wǎng)、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(gòu)件(剪力墻、框架柱)不能直接連續(xù)貫通落地時,為了滿足建筑要求就必須在上下不同結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換的樓層設置轉(zhuǎn)換層,在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層布置轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式有以下幾種:梁式轉(zhuǎn)換層、板式轉(zhuǎn)換層、箱式轉(zhuǎn)換層、桁架式轉(zhuǎn)換層、空腹桁架式轉(zhuǎn)換層等。

2 工程概況

日照某住宅小區(qū)工程,總建筑面積123 792 m2,本文涉及本工程3號樓主體結(jié)構(gòu)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(yè)網(wǎng)點,3層以上為住宅,建筑高度為32.35 m,本工程2層轉(zhuǎn)換,采用梁式轉(zhuǎn)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?？蛑Р糠值目拐鸬燃墳槎?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(jié)構(gòu)整體計算。

3 結(jié)構(gòu)布置

帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)由于上、下層豎向構(gòu)件不連續(xù),結(jié)構(gòu)豎向剛度發(fā)生變化,轉(zhuǎn)換層上下樓層構(gòu)件內(nèi)力、位移容易發(fā)生突變,對抗震不利,形成薄弱層、軟弱層(《建筑抗震設計規(guī)范》第3.4.2條,以下簡稱《抗規(guī)》)。故采用轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設計時應遵循以下原則:

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

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

4 計算結(jié)果

4.1 剛度比

根據(jù)《高規(guī)》第5.1.14條規(guī)定,經(jīng)計算,X,Y方向本層塔側(cè)移剛度與上一層相應塔側(cè)移剛度70%的比值或上三層平均側(cè)移剛度80%的比值中之較小者結(jié)果為Ratx1=1.239 0,Raty1=1.577 0,符合規(guī)范要求。

根據(jù)《高規(guī)》附錄E的規(guī)定,轉(zhuǎn)換層上部與下部結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比宜接近1,不應大于1.3。根據(jù)SATWE結(jié)果,3層的X向剛度比為1.06,Y向剛度比為1.12,符合規(guī)范要求。

4.2 周期比

平動第一周期T1=0.875 0,扭轉(zhuǎn)第一周期T2=0.762 2,T2/T1=0.87,符合《高規(guī)》4.3.5條周期比的規(guī)定。

4.3 位移比

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

4.4 結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性驗算

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

該結(jié)構(gòu)剛重比EJd/GH2＞1.4,能夠通過《高規(guī)》第5.4.4條的整體穩(wěn)定驗算。

該結(jié)構(gòu)剛重比EJd/GH2＞2.7,可以不考慮重力二階效應。

5 構(gòu)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(guān)鍵部位,起到承上啟下的作用,是一個復雜的受力構(gòu)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(zhuǎn)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(xiàn)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(guī)》10.2.8第二條規(guī)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(nèi)。

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(jié)構(gòu)進行有限元計算分析,計算模型與結(jié)構(gòu)實際受力狀態(tài)基本一致,計算結(jié)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(jié)構(gòu)計算,又未采取合理可靠的構(gòu)造措施,會出現(xiàn)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(chǎn)生的扭矩,或按空間結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換梁截面尺寸或配置抗扭鋼筋等。

6 結(jié)語

1)轉(zhuǎn)換層中的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換層落地剪力墻,一方面滿足剪力墻的剛度和穩(wěn)定性;另一方面加大轉(zhuǎn)換層剛度,減小剛度突變。2)轉(zhuǎn)換層首先需要選擇一個合理的結(jié)構(gòu)傳力體系,除計算要求外,還應重視概念和構(gòu)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(jié)構(gòu)安全與穩(wěn)定。

[1]JGJ 3-2002,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[2]GB 50011-2001,建筑抗震設計規(guī)范[S].

[3]陳 顥.淺談高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層[J].山西建筑,2008,34(6):92-93.