高層建筑轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)若干問題探討

原曉輝

【摘 要】隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，越來越多的高層建筑采用了轉(zhuǎn)換層以滿足不同建筑功能的需求。本文結(jié)合筆者多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，就高層建筑轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)若干問題進(jìn)行了探討，重點(diǎn)就上部剪力墻偏置的轉(zhuǎn)換梁的分析及設(shè)計(jì)方法、帶短肢剪力墻的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)應(yīng)用SATWE軟件分析時(shí)應(yīng)注意的問題進(jìn)行了論述，為轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)提供參考。

【關(guān)鍵詞】轉(zhuǎn)換層；剪力墻偏置；設(shè)計(jì)方法；短肢剪力墻；SATWE軟件

隨著高層建筑向體型復(fù)雜、功能多樣、造型新穎的方向發(fā)展，轉(zhuǎn)換層的應(yīng)用也越來越廣泛。所謂轉(zhuǎn)換層，就是一個(gè)建筑物中不同結(jié)構(gòu)形式相連結(jié)的關(guān)節(jié)點(diǎn)，它既是下部結(jié)構(gòu)的封頂，又是上部結(jié)構(gòu)的“空中基礎(chǔ)”，在整個(gè)建筑物結(jié)構(gòu)體系中起著至關(guān)重要的連結(jié)紐帶作用。高層建筑轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)造成建筑物的剛度發(fā)生突變，在水平地震荷載作用下，轉(zhuǎn)換層上下容易形成薄弱環(huán)節(jié)，因此，高層建筑轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)必須合理科學(xué)。下面結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)中的若干問題進(jìn)行探討。

1.上部剪力墻偏置的轉(zhuǎn)換梁的分析及設(shè)計(jì)方法

目前，對(duì)轉(zhuǎn)換梁的設(shè)計(jì)和分析一般是結(jié)合結(jié)構(gòu)整體分析結(jié)果，再采用FEQ等平面有限元分析對(duì)轉(zhuǎn)換梁進(jìn)行輔助的局部分析，得到受力和配筋結(jié)果。這種方法對(duì)于轉(zhuǎn)換梁上部剪力墻比較規(guī)整的情況，計(jì)算結(jié)果具有足夠的精度，基本能滿足工程設(shè)計(jì)的要求。但在實(shí)際工程中，上部墻體經(jīng)常出現(xiàn)軸線垂直于轉(zhuǎn)換梁軸線的不規(guī)則墻或短肢墻，以及墻體軸線與轉(zhuǎn)換梁軸線上下不對(duì)齊的偏心剪力墻，這些情況均會(huì)在轉(zhuǎn)換梁中形成較大的扭矩，但平面有限元卻無法反映出這種扭矩所造成的出轉(zhuǎn)換梁平面外的應(yīng)力狀況。

以某工程為例，轉(zhuǎn)換層設(shè)在第5層，其上是26層的商住樓，原設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換梁截面尺寸為800mm×2200mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，被托換的剪力墻厚為200mm，剪力墻的一端落在框支柱內(nèi)，其余大部分由轉(zhuǎn)換梁支承（見圖1）。利用通用有限元程序SAP2000的三維實(shí)體線彈性單元對(duì)偏心轉(zhuǎn)換梁進(jìn)行分析，取兩層樓高的剪力墻參加計(jì)算。從SATWE空間計(jì)算的各種工況結(jié)果中，選取使轉(zhuǎn)換梁產(chǎn)生最大剪力的一組工況：截面剪力Q=5900kN，彎矩M=1873kN·m，扭矩T=821kN·m，當(dāng)僅驗(yàn)算截面剪壓比時(shí)，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）第6·2·9條，0.15fcbh0/γRE≥Q（式中fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；b為梁、柱截面寬度或抗震墻墻肢截面寬度；h0為截面有效高度；γRE為承載力抗震調(diào)整系數(shù)），則0.15fcbh0/γRE=0.15×19.1×800×2200×0.85=5932kN>Q=5900kN，滿足要求。但按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010）第6·4·1條，驗(yàn)算彎、剪、扭共同作用下時(shí)截面是否符合式：V/（bh0）+T/（0.8Wt） ≤0.25βcfc（式中，V為剪力設(shè)計(jì)值；b為矩形截面的寬度；h0為截面的高度；T為扭矩設(shè)計(jì)值；Wt為受扭構(gòu)件的截面受扭塑性抵抗矩；βc為混凝土強(qiáng)度影響系數(shù)；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值），則V/（bh0）+T/（0.8Wt）=5.07N/mm2>0.25βcfc=4.78N/mm2。說明在彎、剪、扭共同作用下截面不足?？梢娫谟休^大偏心扭矩存在的情況下，僅按通常做法驗(yàn)算截面剪壓比是不夠的，對(duì)轉(zhuǎn)換梁的安全不利。解決的辦法是：在對(duì)應(yīng)剪力墻的端部加一條抗偏梁，約束轉(zhuǎn)換梁的扭轉(zhuǎn)，這樣，偏軸墻造成的偏心扭矩就可以按此處的剪力墻和抗偏梁的線剛度及兩側(cè)的轉(zhuǎn)換梁抗扭剛度的比例分配：

式中，φ為節(jié)點(diǎn)附加轉(zhuǎn)角；KW為上部剪力墻的線剛度；Kb為抗偏梁的線剛度；Ktb1、Ktb2為節(jié)點(diǎn)兩側(cè)轉(zhuǎn)換梁的抗扭剛度。

針對(duì)該工程，在剪力墻端部加一條700mm×1000mm的抗偏次梁，重新計(jì)算的轉(zhuǎn)換梁上扭矩峰值由821kN·m減少至386kN·m，在彎、剪、扭共同作用下，V/（bh0）+T/（0.8Wt）=4.20N/mm2<0.25βcfc=4.78N/mm2，截面滿足要求。由此可見，抗偏梁能有效抑制轉(zhuǎn)換梁側(cè)翻轉(zhuǎn)角，減小轉(zhuǎn)換梁扭矩及上部剪力墻出平面彎矩帶來的墻內(nèi)附加彎曲應(yīng)力，使墻—梁平面假定有限元計(jì)算結(jié)果更可信，能減少轉(zhuǎn)換梁的兩端扭—剪聯(lián)合作用的程度，使結(jié)構(gòu)維持穩(wěn)定。另外，對(duì)于高位轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，在相同混凝土用量前提下，采用高而窄的轉(zhuǎn)換梁能提高層間抗側(cè)移剛度，緩解轉(zhuǎn)換層上、下剛度突變，帶來的梁穩(wěn)定問題可由抗偏梁解決。當(dāng)然，解決轉(zhuǎn)換梁的扭矩，也可以采取加大截面，增加抗扭鋼筋的方法，但這是一種在扭轉(zhuǎn)變形前提下的被動(dòng)的解決方式，而由于梁扭轉(zhuǎn)變形給上部剪力墻帶來的出平面變形和內(nèi)力并未克服，且也不經(jīng)濟(jì)。另外，采用箱形轉(zhuǎn)換層，利用轉(zhuǎn)換梁上下的轉(zhuǎn)換層樓板來共同抵抗偏心扭矩也是可行的，但經(jīng)濟(jì)性肯定不如加抗偏梁的形式。

2.帶短肢剪力墻的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)應(yīng)用SATWE軟件分析時(shí)應(yīng)注意的問題

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010） （以下簡(jiǎn)稱“高規(guī)”）定義帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)為復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)，SATWE軟件在總信息中相對(duì)應(yīng)的提供了“復(fù)雜高層”這種結(jié)構(gòu)體系可供選擇；針對(duì)短肢剪力墻結(jié)構(gòu)則相對(duì)應(yīng)的提供了“短肢剪力墻”結(jié)構(gòu)體系可供選擇。但對(duì)于帶短肢剪力墻的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)究竟應(yīng)選擇哪種結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行分析才是最準(zhǔn)確的呢？其實(shí)問題的焦點(diǎn)就在于兩種結(jié)構(gòu)體系中對(duì)于同一種構(gòu)件，“高規(guī)”有什么不同的規(guī)定，用SATWE軟件計(jì)算出的內(nèi)力和配筋有什么不同，是否存在安全隱患？在這兩種結(jié)構(gòu)體系中只有剪力墻在“高規(guī)”中有不同的規(guī)定，而SATWE計(jì)算結(jié)果中也確實(shí)有不同之處，而其中又尤以轉(zhuǎn)換層下的落地剪力墻區(qū)別較大，且對(duì)結(jié)構(gòu)的安全影響也大，故重點(diǎn)分析在兩種結(jié)構(gòu)體系中轉(zhuǎn)換層以下的落地剪力墻的不同之處。以一棟7度區(qū)30層高，轉(zhuǎn)換層位于第5層的高層建筑為例，轉(zhuǎn)換層以下既有短肢剪力墻也有普通剪力墻。

2.1 抗震等級(jí)

“高規(guī)”規(guī)定；當(dāng)轉(zhuǎn)換層的位置在3層及3層以上時(shí)，其框支柱、剪力墻底部加強(qiáng)部位的抗震等級(jí)宜提高一級(jí)。從SATWE的計(jì)算結(jié)果可以看出，用“剪力墻”結(jié)構(gòu)體系計(jì)算的落地剪力墻的抗震等級(jí)為特一級(jí)，落地普通剪力墻的抗震等級(jí)為一級(jí)；而用“復(fù)雜高層”結(jié)構(gòu)體系計(jì)算的兩種剪力墻均為一級(jí)。對(duì)于轉(zhuǎn)換層為3層或3層以上的結(jié)構(gòu)，兩種結(jié)構(gòu)體系均要求提高一級(jí)，而“剪力墻”結(jié)構(gòu)體系針對(duì)短肢剪力墻又提高了一級(jí)，故由二級(jí)提高到特一級(jí)。而對(duì)于“復(fù)雜高層”結(jié)構(gòu)體系，由于程序不能自動(dòng)判斷短肢剪力墻，所以抗震等級(jí)僅提高了一級(jí)。

2.2 內(nèi)力分析

從SATWE的計(jì)算結(jié)果可以看出，在地震組合作用下“復(fù)雜高層”結(jié)構(gòu)體系計(jì)算出的剪力墻彎矩值一般大于“短肢剪力墻”結(jié)構(gòu)體系計(jì)算出的彎矩值。這是因?yàn)椤案咭?guī)”規(guī)定，對(duì)于復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)其特一、一、二級(jí)落地剪力墻底部加強(qiáng)部位的彎矩設(shè)計(jì)值，應(yīng)按墻體底截面有地震組合的彎矩值乘以增大系數(shù)1.8、1.5、1.25，而短肢剪力墻并沒有要求對(duì)底部加強(qiáng)部位的彎矩設(shè)計(jì)值進(jìn)行調(diào)整。

對(duì)于短肢剪力墻，兩種結(jié)構(gòu)體系均要求在底部加強(qiáng)部位對(duì)剪力設(shè)計(jì)值進(jìn)行調(diào)整，一級(jí)和特一級(jí)應(yīng)分別放大1.6和1.9，但由于在“短肢剪力墻”結(jié)構(gòu)體系中落地短肢剪力墻的抗震等級(jí)為特一級(jí)，而在“復(fù)雜高層”結(jié)構(gòu)體系中則為一級(jí)，二者的剪力設(shè)計(jì)值因此相差近20%。

另外，在“短肢剪力墻”結(jié)構(gòu)體系中非底部加強(qiáng)部位的短肢剪力墻也提高到一級(jí)，其剪力設(shè)計(jì)值放大1.4，而在“復(fù)雜高層”結(jié)構(gòu)體系中非底部加強(qiáng)部位的短肢剪力墻仍為二級(jí)，且剪力設(shè)計(jì)值不放大，二者相差40%。

3.合理調(diào)配框支柱、柱支梁截面，用精細(xì)化設(shè)計(jì)控制成本

轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)時(shí)框支柱應(yīng)滿足“高規(guī)”第6·4·2條規(guī)定，一級(jí)時(shí)軸壓比應(yīng)小于0.6，二級(jí)時(shí)軸壓比應(yīng)小于0.7，如無特殊情況，框支柱滿足軸壓比要求時(shí)均為構(gòu)造配筋。因此，設(shè)計(jì)時(shí)框支柱的截面尺寸以滿足軸壓比限值為準(zhǔn)，過大則造成浪費(fèi)。有的設(shè)計(jì)人員為了盡量減小框支梁的截面尺寸，人為的拉大框支柱截面尺寸，用框支柱去包住上部剪力墻，卻沒有考慮到框支柱從轉(zhuǎn)換層樓面算起，直到基礎(chǔ)頂面，有時(shí)會(huì)高達(dá)20～30m，且全截面按構(gòu)造的1.2%配筋率來配筋，所增加的混凝土及鋼筋用量往往會(huì)超過框支梁節(jié)約下來的用量，且對(duì)側(cè)移剛度并沒有太大的貢獻(xiàn)。

4.結(jié)語

綜上所述，轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)，須根據(jù)工程本身特點(diǎn)和驗(yàn)算中受力狀態(tài)的不明確等因素，選擇科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方案，確保方案設(shè)計(jì)的全面性、科學(xué)性，這樣才能減少今后施工的風(fēng)險(xiǎn)和難度。

參考文獻(xiàn)：

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