高層建筑的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層設(shè)計

黃 磊

(溫州設(shè)計集團(tuán)有限公司，浙江 溫州 325000)

高層建筑的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層設(shè)計

黃 磊

(溫州設(shè)計集團(tuán)有限公司，浙江 溫州 325000)

分析了高層建筑梁式轉(zhuǎn)換框支剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中的常見問題，以溫州地區(qū)一高層框支剪力墻設(shè)計工程為例，對梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點(diǎn)及其采取的處理措施進(jìn)行了詳細(xì)研究，以確保建筑結(jié)構(gòu)的整體安全。

轉(zhuǎn)換層，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，結(jié)構(gòu)設(shè)計，高層建筑

0 引言

出于對建筑功能的考量，高層建筑方案常采用上部剪力墻小空間為主、底部大空間商業(yè)辦公為主的設(shè)計理念，結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為上部為剪力墻結(jié)構(gòu)，下部為框架結(jié)構(gòu)，兩種相異的結(jié)構(gòu)交匯催生了轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的誕生。常見的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)有梁式轉(zhuǎn)換、大板轉(zhuǎn)換，其中前者以其輕巧、經(jīng)濟(jì)廣為設(shè)計師們采納。梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)由于部分上部剪力墻不能落地，需由截面尺寸較大的梁柱抬起以滿足下部大空間的要求。梁式轉(zhuǎn)換框支剪力墻結(jié)構(gòu)施工便捷、荷載傳遞清晰，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方面仍面臨著諸多問題：

1)梁上支撐大片剪力墻，致使梁上線荷載較大，梁柱節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中，地震作用下極易首先破壞，節(jié)點(diǎn)處的抗震構(gòu)造措施尤為重要。

2)大片墻體致使整個梁全截面內(nèi)力較大，梁跨中彎矩及支座負(fù)彎矩較大，梁配筋較多，合理配筋對于施工質(zhì)量保證具有重要意義。

3)為滿足下部大空間需求，加之支撐上部較重剪力墻，轉(zhuǎn)換梁截面較大，合理選擇梁截面對于建筑功能發(fā)揮、結(jié)構(gòu)合理受力有著重要影響。

由此可見，結(jié)構(gòu)類型的轉(zhuǎn)換使得下部結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力較大，構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)受力形式區(qū)域復(fù)雜，選擇合理的梁截面，采取有效的抗震構(gòu)造措施，優(yōu)化構(gòu)件配筋對于梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的合理受力及質(zhì)量保證具有重要意義，基于此，本文以溫州地區(qū)一高層框支剪力墻設(shè)計實(shí)例介紹梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點(diǎn)及采取的方法與措施。

1 工程概況

該工程位于溫州市廣化路安置B地塊,為一高層建筑。其地下1層為車庫,層高4.9 m;地上1層、2層均為商業(yè)，層高5 m;3層以上均為住宅,層高2.9 m，地上31層,總高93.4 m，該項目為底商上部住宅，安全等級為二級，屬于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防，6度設(shè)防，地震加速度為0.05g，Ⅳ類場地土，地震分組為一組，粗糙度為C類，基本風(fēng)壓為0.7 kN/m2。為滿足建筑底部商業(yè)功能需求，結(jié)構(gòu)方案選擇底部框架，上部剪力墻的結(jié)構(gòu)形式，即框支—剪力墻結(jié)構(gòu)。梁式轉(zhuǎn)換框支—剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計關(guān)鍵在于底部轉(zhuǎn)換框架的設(shè)計及上部剪力墻的合理布置。

2 概念設(shè)計與結(jié)構(gòu)布置

該項目屬于典型的框支剪力墻梁式轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)類型，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，底部加強(qiáng)部位及框支柱抗震等級為二級,非底部加強(qiáng)部位剪力墻抗震等級為三級。

轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)選型與布置：轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的突出特點(diǎn)是豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)，部分豎向構(gòu)件不能落地，致使豎向荷載不能直接傳至基礎(chǔ)，較大豎向荷載均通過下部框架結(jié)構(gòu)下傳至基礎(chǔ)，由此造成下部結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力復(fù)雜，內(nèi)力較大，因此GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范、JGJ 13—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程對于轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換構(gòu)件設(shè)計、整體結(jié)構(gòu)控制指標(biāo)、配筋及相應(yīng)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造措施給出了明確的規(guī)定，以此確保上部剪力墻結(jié)構(gòu)與下部框架結(jié)構(gòu)的可靠連接及整體結(jié)構(gòu)的安全性。梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)相對較為經(jīng)濟(jì)，荷載傳遞明確，現(xiàn)有該類轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)竣工建成項目較多，設(shè)計理念及施工工藝非常成熟，不存在理論與技術(shù)實(shí)施難題，因而本項目選用梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)換層的存在使得主體結(jié)構(gòu)上下不同結(jié)構(gòu)類型交界處剛度突變，剛度驟變對于地震作用尤其不利，結(jié)構(gòu)方案設(shè)計應(yīng)盡量避免側(cè)向剛度的不連續(xù)，盡量使得兩種不同結(jié)構(gòu)交接位置剛度連續(xù)均勻變化。為解決抗側(cè)力構(gòu)件剛度交接位置剛度突變的問題，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中要注意如下兩點(diǎn)：1)避免剪力墻全抬，確保一定數(shù)量的剪力墻起落地，增大底部剪力墻墻體厚度，適度加大框支框架柱的截面，以此在確保上下部剛度一定連續(xù)的程度上加大底部框架的剛度；2)針對上部剪力墻結(jié)構(gòu)，宜適度增大墻肢間距，縮小剪力墻長度、減少墻體數(shù)量等措施，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換層上下剛度達(dá)到均勻變化，平穩(wěn)過渡，避免抗側(cè)剛度劇變，上部結(jié)構(gòu)通過少量剪力墻與核心筒一起承擔(dān)水平側(cè)向力。此外為確保單片剪力墻自身的穩(wěn)定性，墻體布置時宜結(jié)構(gòu)建筑功能分區(qū)，將剪力墻布置為T形、L形、C形為宜。底部框支框架在布置時也宜結(jié)構(gòu)建筑功能劃分，將可以下落的剪力墻落地，在大空間區(qū)塊布置框支柱作為豎向承載構(gòu)件。由于框支柱上部支撐轉(zhuǎn)換梁，且梁上荷載較大，框支柱相比于常規(guī)框架柱截面較大，為滿足強(qiáng)柱弱梁的概念設(shè)計，確?？蛑е哂凶銐虻难有院妥冃文芰?，框支柱在地震作用下不首先出現(xiàn)柱鉸的破壞形態(tài)，能夠有效吸收地震力，因而，框支柱設(shè)計時應(yīng)嚴(yán)格控制其軸壓比不大于0.6，適度增加柱子的體積配箍量及配筋率，相對于普通柱前者宜增加0.02，后者不小于1.5%，且框支柱縱筋的連接應(yīng)全部采用機(jī)械連接，全高加密箍筋。除此之外，在底部框支框架強(qiáng)度及延性得到保證以外，樓蓋的剛度也不宜忽視，樓蓋將上部荷載通過墻體及柱子傳至下部框支框架，此外樓蓋還要協(xié)同轉(zhuǎn)換梁工作，為確保面內(nèi)剛度的連續(xù)有效，轉(zhuǎn)換層的樓蓋板厚通常不宜小于200 mm，以確保剛度的連續(xù)及荷載有效傳遞。

3 結(jié)構(gòu)計算

本項目采用傳統(tǒng)的空間有限元軟件SATWE進(jìn)行分析計算。根據(jù)項目方案階段上部剪力墻的布置方案，首先布置框支柱，并根據(jù)建筑高度和框支柱柱跨預(yù)估轉(zhuǎn)換梁截面，建立整體結(jié)構(gòu)模型經(jīng)由SATWE整體分析計算，根據(jù)規(guī)范驗算梁端梁截面的抗剪能力(即V≤0.15fcbh/0.85)。通過試算本項目框支框架相關(guān)梁跨、梁柱截面為：轉(zhuǎn)換層所在層層高5 m，最大梁跨6.5 m，基于梁寬大于墻寬、梁高大于1/6梁跨的要求，轉(zhuǎn)換梁截面選擇為700 mm×1 400 mm，另根據(jù)軸壓比0.6的限值，框支柱最大選用截面為950 mm×1 050 mm。在高層建筑結(jié)構(gòu)計算過程中尚需要考慮扭轉(zhuǎn)偶聯(lián)效應(yīng)及模擬施工加載，通過對比計算分析可知，施工模擬加載1的配筋相對施工模擬加載3較大，故對于部分不合理配筋處應(yīng)進(jìn)行人工校核。此外對于結(jié)構(gòu)層間位移角、位移比、周期比以及底部剪力墻分擔(dān)地震剪力的大小均可以由SATWE整體分析得出，結(jié)合GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范、JGJ 13—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程兩本規(guī)范調(diào)整以達(dá)到規(guī)范要求。此外，對于一些結(jié)構(gòu)構(gòu)件采取以下構(gòu)造措施:

1)轉(zhuǎn)換梁及其門窗洞口處的剪力墻在支座處剪力較大，應(yīng)適當(dāng)加密箍筋配置，在轉(zhuǎn)換梁端的門窗洞采取加腋和箍筋加密的方式提高抗剪承載力。

2)框支框架上部剪力墻設(shè)置的門窗洞口連梁在設(shè)計時應(yīng)滿足“強(qiáng)剪弱彎”，并保證梁內(nèi)的配筋量，配置交叉斜筋，保證梁內(nèi)塑性鉸的出現(xiàn)。

4 構(gòu)造措施

概念設(shè)計對于確保整體結(jié)構(gòu)的安全可靠性具有重要作用，采取合理必要的結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施是進(jìn)行抗震設(shè)防的有效途徑與方法，因此本工程采用了以下構(gòu)造措施：

1)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在設(shè)計過程中，控制剛度突變是結(jié)構(gòu)設(shè)計的首要目的，根據(jù)規(guī)范要求，不同結(jié)構(gòu)類型上下剛度不應(yīng)大于2,故在結(jié)構(gòu)設(shè)計時本項目底部加強(qiáng)部位剪力墻厚度取300 mm，3層以上為240 mm；混凝土等級C40，3層以上C35～C25。為使建筑剛心與質(zhì)心接近重合，特在底部南側(cè)增設(shè)部分剪力墻，以與剛度較大的北部核心筒相協(xié)調(diào)，減少整體結(jié)構(gòu)的偏心進(jìn)而降低結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，增加了底部框支框架的剛度，確保整體結(jié)構(gòu)的剛度比滿足限值要求。

2)轉(zhuǎn)換層樓板厚度取值200 mm，確保樓板的平面內(nèi)外剛度，加強(qiáng)樓板與轉(zhuǎn)換梁的協(xié)同工作能力，使得水平荷載能夠有效的傳遞，此外轉(zhuǎn)換層樓板采用雙層雙向配筋，控制單一方向配筋率不低于0.25%，增加結(jié)構(gòu)的整體性。

3)剪力墻在布置時宜增大墻肢長度，降低轉(zhuǎn)換梁跨中荷載，減小跨中彎矩進(jìn)而縮小梁高及配筋，短肢墻體宜布置在框支柱上。墻體類型盡量少采用一字形，宜以L形、T形、C形為主。

5 鋼筋混凝土剪力墻住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計

框支剪力墻結(jié)構(gòu)在設(shè)計過程中上部剪力墻的平面布置對于下部轉(zhuǎn)換框架有著重要影響，合理的剪力墻布置方案對于建筑功能的發(fā)揮及底部框支框架的合理受力有著重要意義。墻體布置的基本原則即根據(jù)建筑空間功能分割優(yōu)先確定梁的布置，進(jìn)而根據(jù)梁的支座需求布置剪力墻，即在房屋四角、外側(cè)轉(zhuǎn)角處布置墻體。墻體類型宜以L形、T形、C形為主，盡量避免布置一字形墻體，因為前者墻體自身具有良好的穩(wěn)定性。上部剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)能力與總體墻肢數(shù)量即厚度有著本質(zhì)關(guān)系，合理配筋率的長厚墻具有較大的側(cè)向剛度，地震作用下具有良好的穩(wěn)定性能和較高的承載能力。為確保豎向抗側(cè)力構(gòu)件的最基本的抗側(cè)剛度，GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范，JGJ 13—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程規(guī)定落地剪力墻承受的傾覆力矩不小于結(jié)構(gòu)底部總地震傾覆力矩的50%，以此限制框支柱所承受的傾覆力矩，確保剛度的基本連續(xù)性。

6 計算結(jié)果數(shù)據(jù)分析

本項目為帶有轉(zhuǎn)換層的高層單塔結(jié)構(gòu)。整體建模計算時選取30個振型，經(jīng)過計算x向振型質(zhì)量參與系數(shù)為98.35%,y向有效質(zhì)量系數(shù)為96.34%。該項目在計算參數(shù)設(shè)置時需要考慮地震作用下的藕連效應(yīng)，鑒于建筑形體屬于不規(guī)則，故計算分析時考慮15°斜向地震作用。經(jīng)過計算分析可知，主體結(jié)構(gòu)剪重比為0.02～0.03，周期比為0.81，由此可知地震作用計算滿足規(guī)范要求，建筑剛度與建筑質(zhì)量偏心較小，結(jié)構(gòu)不存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，表明建筑結(jié)構(gòu)剪力墻及框支框架布置合理。本工程經(jīng)計算表明轉(zhuǎn)換層上下剛度比在1.1左右，剛度平穩(wěn)均勻過渡，剪力墻體系與框架體系剛度突變不甚明顯，上部結(jié)構(gòu)物薄弱層，結(jié)構(gòu)剛度的均勻變化說明豎向構(gòu)件布置合理。結(jié)構(gòu)計算所得最大層間位移2.16 mm,層間位移比為1/1 391,小于規(guī)范規(guī)定的限值。在框支框架柱的延性方面，軸壓比也均控制在0.6以下，轉(zhuǎn)換梁的減壓比在0.17以下，使得框支框架在地震荷載作用下具有良好的延性。

7 結(jié)語

根據(jù)該框支剪力墻項目的結(jié)構(gòu)方案布置及其結(jié)構(gòu)計算分析結(jié)果可知：

1)梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)在概念設(shè)計層面優(yōu)先把握結(jié)構(gòu)體系的選擇及其結(jié)構(gòu)方案的布置，對于高層建筑的扭轉(zhuǎn)、剛度及其局部墻體穩(wěn)定性應(yīng)在概念層面解決，優(yōu)化結(jié)構(gòu)平面布置，以縮小結(jié)構(gòu)計算過程中模型調(diào)整周期。

2)合理布置梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)上部剪力墻，避免短肢墻體出現(xiàn)，增加底部落地剪力墻墻體厚度，確保一定數(shù)量剪力墻落地以保證豎向剛度的連續(xù)。

3)框支框架與上部剪力墻交接的轉(zhuǎn)換層宜增加樓板厚度，適當(dāng)增加底部框架柱的截面尺寸，延緩轉(zhuǎn)換層處剛度的突變，使得建筑抗側(cè)剛度隨著層高漸變。

總之，方案階段的概念設(shè)計、合理的上部剪力墻平面布置及底部框支框架的合理設(shè)計對于框支剪力墻結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)安全性具有重要意義。

[1] JGJ 3—2010,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[2] GB 50011—2010,建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[3] 徐培福,傅學(xué)怡,王翠坤.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[4] 熊進(jìn)剛.有梁式轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究[M].北京:工業(yè)建筑出版社，2013.

Design of high-rise building structure conversion layer

Huang Lei

(WenzhouDesignGroupCo.,Ltd,Wenzhou325000,China)

The paper analyzes common problems existing in shearing wall structure design of high-rise building conversion layer. Taking high-rise frame shearing wall design engineering in Wenzhou region as an example, it specifically studies beam-style conversion structure design points and processing measures, with a view to guarantee integral building structure safety.

conversion layer, torsion effect, structural design, high-rise building

1009-6825(2015)07- 0029- 02

2014-12-30

黃 磊(1981- )，男，工程師

TU973

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