帶新型斜柱轉(zhuǎn)換的框支剪力墻結(jié)構(gòu)力學性能分析＊

李 夢，申 波，謝成吉，周世明，趙慶陽，龍海芳

(貴州大學 空間結(jié)構(gòu)研究中心，貴州 貴陽 550003)

為滿足日益擴大的使用功能需求，不少建筑集商業(yè)、餐飲、娛樂、寫字間、公寓于一體，致使上下樓層建筑使用功能完全不同，布局各異，這就出現(xiàn)了因上下結(jié)構(gòu)型式或軸網(wǎng)尺寸不同而必須設(shè)置轉(zhuǎn)換層的情況［1］。目前常用的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形式有實腹大梁轉(zhuǎn)換、箱形轉(zhuǎn)換和厚板轉(zhuǎn)換。隨著高層建筑的發(fā)展，斜柱轉(zhuǎn)換作為一種新型轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)逐漸出現(xiàn)在人們的視野之中，主要用于梁托柱的建筑，如:文獻［1］中的沈陽華利廣場采用雙環(huán)結(jié)構(gòu)斜柱轉(zhuǎn)換，成功將6 層以上增設(shè)的環(huán)繞核心筒的一圈走廊柱并入核心筒壁內(nèi)，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)托柱轉(zhuǎn)換。近年來鑒于斜柱轉(zhuǎn)換傳力直接、明確，受力合理等優(yōu)勢［2］，斜柱轉(zhuǎn)換也正逐步應用于框支剪力墻結(jié)構(gòu)中，但主要是針對短肢剪力墻，重慶大學鐘樹生教授等對斜柱轉(zhuǎn)換在框支短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中的應用做了一系列的理論分析和試驗研究［3，4］，結(jié)果表明:斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的延性及耗能均低于鋼筋混凝土梁式轉(zhuǎn)換，斜柱間轉(zhuǎn)換梁凈跨段損傷較嚴重，其主要原因在于加斜柱后梁的跨高比變小，破壞類似于小跨高比連梁，延性較差。因此，為了提高傳統(tǒng)混凝土斜柱轉(zhuǎn)換的抗震性能，加強斜柱間轉(zhuǎn)換梁段的延性，使斜柱轉(zhuǎn)換能更加廣泛的應用于實際工程中，我們提出了帶型鋼的新型斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，并將其應用于框支剪力墻結(jié)構(gòu)中。新型斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)由型鋼混凝土斜柱、部分型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁(型鋼主要布置在斜柱間的轉(zhuǎn)換梁內(nèi))、鋼筋混凝土框支柱組成，型鋼混凝土斜柱一端與轉(zhuǎn)換層中的框支柱柱腳連接，另一端與型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁連接，其立面布置如圖1 所示。本文通過某工程實例對新型斜柱轉(zhuǎn)換和實腹大梁轉(zhuǎn)換進行對比分析，從結(jié)構(gòu)周期、位移、剛度比和轉(zhuǎn)換梁截面尺寸等方面，分析比較在高層建筑中新型斜柱轉(zhuǎn)換的應用對結(jié)構(gòu)整體性能改善的效果，為新型斜柱轉(zhuǎn)換在工程中的應用和推廣提供一定的理論依據(jù)。

圖1 斜柱在轉(zhuǎn)換層的立面布置圖

1 新型斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點

1.1 結(jié)構(gòu)特點

新型斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)利用鋼結(jié)構(gòu)偏心支撐耗能梁段的原理，在斜柱、轉(zhuǎn)換梁中布置型鋼，斜柱的型鋼錨固于轉(zhuǎn)換梁、框支柱中，以加強斜柱與轉(zhuǎn)換梁、框支柱的連接節(jié)點，通過在斜柱間的轉(zhuǎn)換梁內(nèi)布置型鋼，形成斜柱與斜柱之間的耗能梁段，以提高斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的延性、耗能，使斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的非彈性變形能均勻、有序地散布于整個轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中。新型斜柱轉(zhuǎn)換不僅繼承了傳統(tǒng)混凝土斜柱轉(zhuǎn)換的優(yōu)點，同時具有更好的延性和耗能能力，提高了結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的抗震性能，適用范圍更廣。

1.2 構(gòu)造要求

在型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)中，型鋼與外包混凝土能否協(xié)調(diào)變形，是兩者共同工作的條件。為保證外包混凝土與型鋼的共同工作，必須在外包混凝土中配置必要的鋼筋［5］。型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁中縱向受拉鋼筋的配筋率宜大于0.3%，配箍率不應小于0.15%;型鋼混凝土斜柱全部縱向受力鋼筋的配筋率不宜小于0.8%，為提高斜柱的變形能力和粘結(jié)破壞承載能力，柱箍筋加密區(qū)的箍筋最小體積配箍率取值范圍應為1.0%～1.2%。為了保證型鋼與混凝土二者能夠良好協(xié)同工作直至型鋼屈服，一方面要求型鋼與混凝土之間有足夠的粘結(jié)承載力，同時也要求在型鋼達到屈服強度前，混凝土保護層不會被壓碎，因此要求型鋼混凝土柱的保護層厚度不宜小于120 mm，型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁的保護層厚度不宜小于100 mm，且梁內(nèi)型鋼翼緣離梁兩側(cè)距離之和，不宜小于梁截面寬度的1/3。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件中型鋼鋼板不宜過薄，以利于焊接和滿足局部穩(wěn)定要求，型鋼鋼板厚度不宜小于6 mm［6］。按文獻［5］的要求，型鋼混凝土梁、柱構(gòu)件中，型鋼的含鋼率不小于2%，也不宜大于15%，合理含鋼率為5%～8%。

2 工程實例

2.1 工程概況

本工程位于貴州省畢節(jié)市，為框支剪力墻高層住宅建筑。結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50 年，抗震設(shè)防烈度為6 度，設(shè)計地震分組為第一組，地震基本加速度為0.05 g，建筑場地類別為Ⅱ類，基本風壓為0.30 kN/m2，地面粗糙度類別為B 類。建筑總高度為95.70 m，地上共31 層，第1 層采用大開間的框架—核心筒結(jié)構(gòu)，為大型商場，轉(zhuǎn)換層位于第2層，其層高為4.5 m，作為設(shè)備層、倉庫使用，3 層及3 層以上為小開間剪力墻結(jié)構(gòu)，用作住宅。轉(zhuǎn)換層板厚為180 mm，轉(zhuǎn)換層及以下的梁、板、柱、墻的混凝土強度等級為C55，轉(zhuǎn)換層以上的框架梁、板的混凝土等級為C35，剪力墻的混凝土等級為C55，并隨著樓層的增高，剪力墻的截面厚度和混凝土等級逐漸減小。原設(shè)計的實腹大梁轉(zhuǎn)換層及上部剪力墻平面布置如圖2 所示。

圖2 實腹大梁轉(zhuǎn)換層及上部剪力墻布置圖

圖3 斜柱在轉(zhuǎn)換層的平面布置圖

2.2 斜柱在轉(zhuǎn)換層的平面布置

本工程轉(zhuǎn)換層層高4.5 m，采用實腹大梁轉(zhuǎn)換時，轉(zhuǎn)換梁的截面高度最高為2300 mm，嚴重影響了建筑的使用功能;同時由于轉(zhuǎn)換層與其相鄰上層抗側(cè)剛度差別很大，導致樓層層間承載力在轉(zhuǎn)換層處產(chǎn)生突變。為了避免轉(zhuǎn)換層形成薄弱層，本文考慮在不影響建筑原有使用功能的前提下，在結(jié)構(gòu)的周邊適當布置新型斜柱(如圖3 所示)，以降低轉(zhuǎn)換梁的截面高度，解決轉(zhuǎn)換層上、下剛度突變的問題。斜柱的布置需盡量均勻、對稱，沿x，y 向均需布置，使結(jié)構(gòu)x，y 向抗側(cè)剛度不宜差別太大，同時使結(jié)構(gòu)剛心與質(zhì)心盡量靠近。新型斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中的型鋼混凝土斜柱、型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁(本文僅在型鋼混凝土斜柱間的轉(zhuǎn)換梁段內(nèi)布置型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁，且所有型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁采用同一截面尺寸，如表1 所示，其余均為鋼筋混凝土轉(zhuǎn)換梁)的截面尺寸和配筋參數(shù)等分別見表1 和表2，截面示意圖如圖4、圖5 所示。新型斜柱的混凝土強度等級與該層框支柱保持一致，即取為C55。

表1 截面尺寸 (單位:mm)

圖4 型鋼混凝土斜柱示意圖

表2 含鋼率、配筋率、配箍率 (單位:%)

圖5 型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁示意圖

2.3 實腹大梁轉(zhuǎn)換與新型斜柱轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)性能對比分析

本工程的整體分析采用常用的結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件PKPM 中的SATWE 模塊，并用PMSAP 對計算結(jié)果進行復核［7］。其計算結(jié)果整理如下所示:

(1)結(jié)構(gòu)的自振周期

表3 結(jié)構(gòu)的自振周期 (單位:s)

由表3 可知，兩種轉(zhuǎn)換均滿足復雜高層建筑結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期的比值不應大于0.85 的規(guī)定［8］。上表中新型斜柱轉(zhuǎn)換與實腹大梁轉(zhuǎn)換的自振周期非常接近，由于只在部分位置布置了新型斜柱，因而新型斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與實腹大梁轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的自振周期相差甚微。

(2)結(jié)構(gòu)樓層位移和層間位移角

在地震作用下，結(jié)構(gòu)的樓層位移和層間位移角，分別如圖6、圖7 所示。在風荷載作用下，結(jié)構(gòu)的樓層位移和層間位移角，分別如圖8、圖9 所示，其中符號B、C 分別表示實腹大梁轉(zhuǎn)換和新型斜柱轉(zhuǎn)換，X、Y 分別表示X、Y 方向的位移或位移角。從圖中可看出，新型斜柱轉(zhuǎn)換與實腹大梁轉(zhuǎn)換在地震作用和風荷載作用下的結(jié)構(gòu)樓層位移、層間位移角都相差不大;新型斜柱轉(zhuǎn)換和實腹大梁轉(zhuǎn)換在X方向的結(jié)構(gòu)樓層位移、層間位移角均大于Y 方向，這是由于結(jié)構(gòu)整體X 方向的剛度小于Y 方向的剛度。由表4 可知，在考慮偶然偏心影響的規(guī)定水平地震作用下，新型斜柱轉(zhuǎn)換和實腹大梁轉(zhuǎn)換在X、Y方向的最大位移比，均滿足不宜大于1.2 的要求［8］;在地震作用和風荷載作用下，新型斜柱轉(zhuǎn)換和實腹大梁轉(zhuǎn)換的最大層間位移角，均小于規(guī)范規(guī)定的層間位移角限值。

圖6 地震作用下結(jié)構(gòu)樓層位移

圖7 地震作用下結(jié)構(gòu)層間位移角

圖8 風荷載作用下結(jié)構(gòu)樓層位移

圖9 風荷載作用下結(jié)構(gòu)層間位移角

(3)轉(zhuǎn)換層與其相鄰上層結(jié)構(gòu)的等效剪切剛度比

由表5 可知，實腹大梁轉(zhuǎn)換和新型斜柱轉(zhuǎn)換的剪切剛度比在X、Y 兩個方向均滿足不應小于0.5的要求［8］，這兩種轉(zhuǎn)換在轉(zhuǎn)換層上層的結(jié)構(gòu)布置和剪力墻的截面尺寸完全相同，因此二者轉(zhuǎn)換層上層的剪切剛度變化不大;新型斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)換層X、Y 方向布置的斜柱顯著提高了轉(zhuǎn)換層的剪切剛度，能明顯改善轉(zhuǎn)換層與其相鄰上層結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度比。在保證與實腹大梁轉(zhuǎn)換具有相同的剪切剛度條件下，新型斜柱轉(zhuǎn)換可以在滿足框支柱和落地剪力墻軸壓比的同時適當減小框支柱和落地剪力墻的截面尺寸，以便取得更好的經(jīng)濟效益。

表4 結(jié)構(gòu)最大位移比、最大層間位移角

表5 轉(zhuǎn)換層與其相鄰上層剪切剛度比 (單位:107kN/m)

(4)轉(zhuǎn)換梁截面尺寸的優(yōu)化

本工程在布置斜柱的位置相應減小了轉(zhuǎn)換梁的截面尺寸，以獲得更多的建筑使用空間。新型斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和實腹大梁轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的部分轉(zhuǎn)換梁截面尺寸，如表6 所示。經(jīng)對比可知，在布置斜柱的位置及其周邊的轉(zhuǎn)換梁截面高度明顯降低，可充分利用建筑使用空間。

表6 新型斜柱轉(zhuǎn)換和實腹大梁轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換梁截面對比 (單位:mm2)

3 結(jié)論

(1)新型斜柱轉(zhuǎn)換在結(jié)構(gòu)的周期、整體水平位移和層間位移角方面與實腹大梁轉(zhuǎn)換相差甚微，能取得與實腹大梁轉(zhuǎn)換相同的整體反應效果。

(2)與實腹大梁轉(zhuǎn)換相比，新型斜柱轉(zhuǎn)換能明顯改善轉(zhuǎn)換層與其相鄰上層結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度比，避免層間剛度突變，傳力路徑直接、明確，受力合理。在保證與實腹大梁轉(zhuǎn)換具有相同的剪切剛度條件下，新型斜柱轉(zhuǎn)換可以在滿足框支柱和落地剪力墻軸壓比的同時適當減小框支柱和落地剪力墻的截面尺寸，以便取得更好的經(jīng)濟效益。

(3)新型斜柱轉(zhuǎn)換能減小轉(zhuǎn)換梁的截面尺寸，獲得更多的建筑使用空間，同時降低結(jié)構(gòu)自重。

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