多重梁式高位轉(zhuǎn)換體系受力性能分析

王 瑋,趙建昌,劉廷濱

(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730030)

由于建筑沿高度方向樓層建筑功能的改變,往往會(huì)引起豎向結(jié)構(gòu)形式或者軸網(wǎng)的改變,因此,在發(fā)生變化的樓層就需要設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。目前在工程中應(yīng)用的轉(zhuǎn)換層主要結(jié)構(gòu)形式有:梁式、桁架式、箱式和厚板式等。由于梁式轉(zhuǎn)換層傳力途徑明確,設(shè)計(jì)和施工簡單,其應(yīng)用最為廣泛[1]。

通常梁式轉(zhuǎn)換層是采用主梁轉(zhuǎn)換,即墻(柱)-主梁-框支柱(落地剪力墻)的傳力途徑。由于上部建筑要求的限制,有時(shí)需要采用主次梁轉(zhuǎn)換形式,但是這種轉(zhuǎn)換形式的傳力途徑復(fù)雜,相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究表明,轉(zhuǎn)換次梁的設(shè)置使主次梁交接部位受到附加集中力和彎矩作用,減小了主梁的剪跨比,使轉(zhuǎn)換主梁易產(chǎn)生剪切破壞?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2](以下簡稱《高規(guī)》)規(guī)定:B級高度部分框支剪力墻高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層,不宜采用框支主、次梁方案。對這種多重轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu),相關(guān)文獻(xiàn)也較少。本文將以某工程實(shí)例為背景,對抗震設(shè)防烈度為7度地區(qū)多重梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行分析。

1 工程概況

本工程為部分框支剪力墻結(jié)構(gòu),地下兩層,地上36層,結(jié)構(gòu)總高度為113.2 m,結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層設(shè)在地上6層,層高5 m。建筑抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計(jì)地震加速度值為0.10 g,設(shè)計(jì)地震分組為第三組,建筑場地類別為Ⅱ類,100 a重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓值,地面粗糙度為C類。由于本工程地震設(shè)防烈度為7度,《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[3](以下簡稱《抗規(guī)》)規(guī)定:厚板轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)不宜用于7度及7度以上的高層建筑,故本工程采用主次梁轉(zhuǎn)換?！陡咭?guī)》規(guī)定:部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)在地面上設(shè)置轉(zhuǎn)換層的位置,8度時(shí)不宜超過3層,7度時(shí)不宜超過5層,6度時(shí)可適當(dāng)提高。因此,本工程轉(zhuǎn)換層設(shè)置屬于高位轉(zhuǎn)換,應(yīng)進(jìn)行具體分析。圖1為轉(zhuǎn)換層以下標(biāo)準(zhǔn)層典型構(gòu)件布置,圖2為住宅標(biāo)準(zhǔn)層構(gòu)件布置,圖3為轉(zhuǎn)換層構(gòu)件布置圖(陰影部分為柱和剪力墻,虛線為梁)。6層以上除核心筒及周邊部分剪力墻落地以外,其余墻均未落地。轉(zhuǎn)換層下部剪力墻厚度為450mm～600mm,混凝土強(qiáng)度等級為C50,轉(zhuǎn)換層上部剪力墻厚度變?yōu)?00mm～400mm,混凝土強(qiáng)度等級變?yōu)镃45,剪力墻厚度共發(fā)生4次變化,分別位于地上7層,9層,13層和21層。轉(zhuǎn)換層下部柱子截面尺寸取1200mm×1200mm,混凝土強(qiáng)度等級為C50。轉(zhuǎn)換主梁截面為1000mm×2000mm,轉(zhuǎn)換次梁截面為800mm×1600mm和500mm×1200mm。轉(zhuǎn)換層板厚300mm,上部托承剪力墻,轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)構(gòu)件混凝土強(qiáng)度均為C50。

圖1 轉(zhuǎn)換層下部標(biāo)準(zhǔn)層構(gòu)件布置圖

圖2 住宅標(biāo)準(zhǔn)層構(gòu)件布置圖

圖3 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置圖

2 結(jié)構(gòu)分析

本工程采用中國建筑科學(xué)研究院PKPM CAD工程部開發(fā)的SATWE程序及韓國MIDAS IT開發(fā)的建筑結(jié)構(gòu)通用有限元分析和設(shè)計(jì)軟件MIDAS/Gen進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。結(jié)構(gòu)自振周期、剪重比、基底剪力、位移及傾覆彎矩計(jì)算結(jié)構(gòu)見表1～表4。

表1 采用SATWE計(jì)算的結(jié)構(gòu)自振周期

表2 采用MIDAS/Gen計(jì)算的結(jié)構(gòu)自振周期

表3 地震作用下兩種軟件主要計(jì)算結(jié)果比較

表4 風(fēng)荷載作用下兩種軟件主要計(jì)算結(jié)果比較

本工程為部分框支剪力墻結(jié)構(gòu),根據(jù)《抗規(guī)》[3]5.5.1,彈性層間位移角限值按框架結(jié)構(gòu)取值為1/550;根據(jù)《抗規(guī)》[3]5.2.5,最小剪重比取1.6%,以上結(jié)果均滿足規(guī)范要求。以上結(jié)果說明,該工程選用的結(jié)構(gòu)體系是合理的,下文將針對轉(zhuǎn)換層進(jìn)行分析。

3 轉(zhuǎn)換層分析

由于本工程采用主次梁轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形式,本文采用FEQ(高精度平面有限元框支剪力墻計(jì)算及配筋軟件)分析轉(zhuǎn)換梁及剪力墻內(nèi)力。主梁分別取邊梁和中梁進(jìn)行分析,次梁取兩種截面都進(jìn)行分析。由文獻(xiàn)[1]知,采用有限元分析時(shí),考慮轉(zhuǎn)換梁上部3層墻體的共同作用,計(jì)算精度已足夠。荷載采用SATWE導(dǎo)算荷載,取圖3中主梁4軸、5軸及次梁1/A軸、1/C軸(左側(cè))及1/D軸進(jìn)行分析。

主梁:(邊梁5軸)恒載作用下,上部承托剪力墻處彎矩和剪力都很大,最大彎矩值為2858.6 kN·m,最大剪力值為3270.2 kN,X、Y方向地震作用下產(chǎn)生的彎矩和剪力也較大,風(fēng)荷載作用下,梁產(chǎn)生的彎矩和剪力較小,與恒載作用下產(chǎn)生的內(nèi)力值相比,可以忽略。地震荷載作用下節(jié)點(diǎn)位移最大出現(xiàn)在主次梁交接處對應(yīng)的上部剪力墻頂,因此在主次梁交接處及上部剪力墻需進(jìn)行另外的處理。比如在主次梁交接處加水平腋,增大剪力墻配筋等方法。由應(yīng)力等值線圖4看出,恒載作用下,當(dāng)轉(zhuǎn)換梁的某跨兩端都承托剪力墻時(shí),該跨轉(zhuǎn)換梁的受力情況與普通框架梁相似,即上部受壓,下部受拉。由應(yīng)力等值線圖5看出,地震作用下,剪力墻墻肢上的應(yīng)力等值線十分密集,主要承受壓應(yīng)力,轉(zhuǎn)換主梁的應(yīng)力情況較為復(fù)雜,需對剪力墻的配筋進(jìn)行加強(qiáng)。上下剪力墻與轉(zhuǎn)換主梁和框支柱與轉(zhuǎn)換主梁交接處,應(yīng)力等值線十分密集,應(yīng)力較為集中,應(yīng)著重考慮轉(zhuǎn)換梁在墻肢頂部、底部及框支柱頂部的設(shè)計(jì)。

圖4 恒載作用下主梁(5軸)及上部構(gòu)件應(yīng)力等值線圖

圖5 地震作用下主梁(5軸)及上部構(gòu)件應(yīng)力等值線圖

(中梁4軸)恒載作用下上部承托剪力墻處彎矩和剪力較大,最大彎矩為1814.8 kN·m,最大剪力為-3079.4 kN,與邊梁相比要相對較小。X、Y方向地震作用下產(chǎn)生的彎矩和剪力較大,最大彎矩為-1395.6 kN·m,最大剪力為-1123.9 kN。風(fēng)荷載作用下梁產(chǎn)生的彎矩和剪力很小,與上述值相比可忽略。該軸梁的內(nèi)力情況與邊梁情況相似,但總體上來講,中梁的內(nèi)力值比邊梁的內(nèi)力值小,邊梁與中梁部分內(nèi)力值比較見表5。由應(yīng)力等值線得出的情況,中梁與邊梁基本類似,不再贅述。

表5 4軸、5軸內(nèi)力結(jié)果比較

由圖6荷載簡圖看出,在轉(zhuǎn)換主、次梁相交處,轉(zhuǎn)換主梁上對應(yīng)位置都出現(xiàn)了集中荷載,因此可以推斷出,傳力途徑為轉(zhuǎn)換次梁-轉(zhuǎn)換主梁。

圖6 轉(zhuǎn)換主梁(5軸)恒載簡圖

次梁:恒載作用下轉(zhuǎn)換次梁的內(nèi)力與主梁的內(nèi)力相比較小,次梁在地震作用下產(chǎn)生的內(nèi)力與主梁在地震作用下產(chǎn)生的內(nèi)力相比也較小。由應(yīng)力等值線圖7看出,恒載作用下,轉(zhuǎn)換次梁的應(yīng)力情況較為復(fù)雜,轉(zhuǎn)換層上部三層的梁為上部受壓,下部受拉,與普通梁相似。在轉(zhuǎn)換次梁與剪力墻交接處,應(yīng)力集中較為明顯,應(yīng)著重考慮轉(zhuǎn)換梁在墻肢底部的設(shè)計(jì)。

圖7 恒載作用下次梁(1/C軸)及上部構(gòu)件應(yīng)力等值線圖

圖8 地震作用下次梁(1/C軸)及上部構(gòu)件應(yīng)力等值線圖

由應(yīng)力等值線圖8看出,地震作用下,不僅轉(zhuǎn)換梁的應(yīng)力情況較復(fù)雜,轉(zhuǎn)換梁上部梁的應(yīng)力情況也很復(fù)雜。剪力墻墻肢上的應(yīng)力等值線十分密集,而且在與梁交接處應(yīng)力集中現(xiàn)象很明顯。截面為500mm×1200mm的次梁,由于上部并不是承托整片的剪力墻,而是承托剪力墻墻肢的端部,從荷載簡圖上可以看出,在對應(yīng)的部位都出現(xiàn)了集中荷載。截面為800mm×1600mm的次梁,上部既承托整片剪力墻,也承托剪力墻墻肢端部,從荷載簡圖上可以看出,在對應(yīng)的位置也都出現(xiàn)了集中荷載。因此可以推斷出,傳力途徑為剪力墻——轉(zhuǎn)換次梁。

4 結(jié)論及建議

綜合以上分析可以推斷出,托墻主次梁轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的傳力途徑為剪力墻—轉(zhuǎn)換次梁—轉(zhuǎn)換主梁—框支柱(落地剪力墻)。由FEQ分析可知,轉(zhuǎn)換層主次梁正交部位在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以加強(qiáng);轉(zhuǎn)換梁上下部與墻或柱相交接處及兩端在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以著重考慮。另外,地震作用下,轉(zhuǎn)換層上部梁的應(yīng)力等值線十分密集,應(yīng)力情況也很復(fù)雜,需要對其設(shè)計(jì)予以著重考慮。

通過對該工程實(shí)例的分析,對主次梁轉(zhuǎn)換形式在工程中的應(yīng)用提出以下建議:

(1)《高規(guī)》[2]規(guī)定:B級高度部分框支剪力墻高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層,不宜采用框支主、次梁方案。但是對通過本工程實(shí)例的分析可以看出,在低烈度地區(qū)(抗震設(shè)防烈度為6～7度),多重梁式轉(zhuǎn)換形式是可行的。

(2)在主次梁正交處應(yīng)力較為集中,因此,在設(shè)計(jì)時(shí)需對這些部位采取一些加強(qiáng)措施,比如,在梁端加腋、在上下層梁間加設(shè)腹桿等。

(3)轉(zhuǎn)換梁上部梁和剪力墻應(yīng)力較為復(fù)雜,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以著重考慮。

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