談高位轉(zhuǎn)換建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張 輝

(運(yùn)城市建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 運(yùn)城 044000)

0 引言

現(xiàn)以7度區(qū)一棟商住建筑為例，該建筑采用框支剪力墻結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層位于地面以上第6層，房屋總高度大于80 m，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，安全等級(jí)為二級(jí)，屬于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類(丙類建筑)。該工程所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.15g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組。根據(jù)JGJ 3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(以下簡(jiǎn)稱《高規(guī)》)，底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻和框支柱抗震等級(jí)為特一級(jí)，框架梁(框支梁)為一級(jí)，上部剪力墻為二級(jí)?；撅L(fēng)壓為0.45 kN/m2(按50年一遇概率取值)，設(shè)計(jì)采用的基本風(fēng)壓為0.50 kN/m2(因該建筑總高度大于60 m,故設(shè)計(jì)時(shí)按基本風(fēng)壓的1.1倍采用,即0.45×1.1=0.50)。地面粗糙度按B類考慮。

以下就該建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，淺談一下高位轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的構(gòu)件設(shè)計(jì)原則及計(jì)算參數(shù)的注意事項(xiàng)，供設(shè)計(jì)師們參考。

1 高位轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)

1.1 構(gòu)件布置時(shí)的注意事項(xiàng)

底部大空間建筑最主要的地震震害表現(xiàn)為底部剛度較柔，上部較剛，一般發(fā)生地震時(shí)建筑底部薄弱層出現(xiàn)應(yīng)力集中、變形集中，使底部出現(xiàn)過大的側(cè)移造成嚴(yán)重的破壞，從而坍塌。所以為避免發(fā)生此類震害，最為關(guān)鍵的就是如何控制此類建筑的上下層剛度比。7度區(qū)轉(zhuǎn)換層位置不宜超過地面以上5層，因該建筑轉(zhuǎn)換層位于地面以上第6層，故屬于高位轉(zhuǎn)換。

構(gòu)件布置時(shí)應(yīng)注意落地剪力墻，如核心筒底部的墻體應(yīng)該加厚，且開洞不宜設(shè)置在四角。轉(zhuǎn)換層板厚不宜小于180 mm，雙層雙向配筋，且配筋率不宜小于0.25%；轉(zhuǎn)換層上、下一層的樓板板厚也應(yīng)較其他樓面適當(dāng)加強(qiáng)，設(shè)置為130 mm。轉(zhuǎn)換梁宜盡量與轉(zhuǎn)換柱的中心線重合，梁高根據(jù)建筑凈高要求盡量控制在2 m以內(nèi)(初步設(shè)置時(shí)可按1/4梁跨取值，不宜小于計(jì)算跨度的1/8)，梁寬按實(shí)際情況在轉(zhuǎn)換梁受力較復(fù)雜時(shí)適當(dāng)加大。當(dāng)轉(zhuǎn)換梁與上部墻體偏位時(shí)，須設(shè)置垂直方向的次梁。轉(zhuǎn)換層必須嚴(yán)格考慮轉(zhuǎn)換構(gòu)件的偏心，以計(jì)算對(duì)轉(zhuǎn)換梁的扭矩影響。剪力墻尤其是某些帶小墻肢的，必須局部設(shè)置剛性桿，確保上部剪力墻荷載傳遞到轉(zhuǎn)換梁上。剪力墻轉(zhuǎn)換時(shí)盡量避免在轉(zhuǎn)換梁端部及框支中柱上方開洞，避免應(yīng)力集中，如圖1所示。

一般框支剪力墻結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)換層屬于薄弱樓層，不論其剛度比值如何，按《高規(guī)》第3.5.8條規(guī)定，轉(zhuǎn)換層必須強(qiáng)制設(shè)置為薄弱層，地震力放大系數(shù)應(yīng)取1.25的增大系數(shù)。

1.2 規(guī)范、計(jì)算模型的參數(shù)判別

根據(jù)《高規(guī)》附錄E.0.1～E.0.3條及3.5.2條規(guī)定，可以判斷低位轉(zhuǎn)換時(shí)轉(zhuǎn)換層所在位置上、下層的側(cè)向剛度比應(yīng)為等效剪切剛度比，而高位轉(zhuǎn)換時(shí)上、下部結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度比則為剪彎剛度比。且PKPM自動(dòng)選擇的剛度計(jì)算方法也是選擇此兩項(xiàng)參數(shù)。

轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)就本身概念而言，即為轉(zhuǎn)換，上下層豎向構(gòu)件不連續(xù)，剛度發(fā)生突變，導(dǎo)致應(yīng)力集中，先天條件不足。對(duì)于低位轉(zhuǎn)換，《高規(guī)》的側(cè)重點(diǎn)在于轉(zhuǎn)換層與其上一層的剛度變化突變值。規(guī)范要求此剛度比宜接近1，就是結(jié)構(gòu)剛度盡量不要產(chǎn)生突變?！陡咭?guī)》3.5.2條也是基于同樣的道理。對(duì)于高位轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換層設(shè)置的位置越高，其發(fā)生剛度改變的區(qū)域高度就越大，故下部的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)區(qū)與上部非轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)區(qū)的對(duì)比就越大，僅僅滿足之前相鄰層的剛度比明顯不合理，也不安全。故《高規(guī)》的側(cè)重點(diǎn)在于上下部結(jié)構(gòu)的剪彎剛度比，不僅為了反映整個(gè)區(qū)域的剛度變化，也同時(shí)為了控制轉(zhuǎn)換層位置不宜太高，轉(zhuǎn)換豎向構(gòu)件所在的區(qū)域也不宜太高。對(duì)于沒有剛度突變的結(jié)構(gòu)，比如純框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)，就很少存在此類問題。

2 高位轉(zhuǎn)換的計(jì)算要求

2.1 結(jié)構(gòu)周期比、剪重比、位移角等主要參數(shù)要求

本工程結(jié)構(gòu)計(jì)算采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院編寫的《PKPM》系列軟件(2010版)SATWE，其結(jié)構(gòu)計(jì)算主要參數(shù)見表1。

表1 結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

周期比：T3/T1=1.797 0/2.400 0=0.749<0.85。

剪重比：X向樓層最小剪重比=2.00%>1.6%；X向的有效質(zhì)量系數(shù):95.57%>90%;Y向樓層最小剪重比=2.00%>1.6%；Y向的有效質(zhì)量系數(shù):95.57%>90%。

位移角：X向最大值層間位移角:1/1 205<1/1 000;Y向最大值層間位移角:1/1 266<1/1 000。

經(jīng)計(jì)算，本工程的周期比、剪重比、位移角均能滿足規(guī)范要求。

2.2 剛度比參數(shù)要求

模型計(jì)算結(jié)果給出三種側(cè)向剛度值(其中第6結(jié)構(gòu)層為轉(zhuǎn)換層)：

剪切剛度：RJX1，RJY1；

剪彎剛度：RJX2，RJY2；

地震剪力與地震層間位移的比：RJX3，RJY3。

由本文1.2節(jié)對(duì)規(guī)范的理解，再根據(jù)相關(guān)規(guī)定，得出以下關(guān)于高位轉(zhuǎn)換剛度比的幾點(diǎn)要求：

1)地震剪力與地震層間位移的比：RJX3(6)/RJX3(7)>0.6；RJY3(6)/RJY3(7)>0.6。

比值計(jì)算：4.840 0E+06/6.870 8E+06=0.704；4.560 2E+06/6.051 5E+06=0.754，故滿足要求。

2)剪切剛度：RJX1(6)/RJX1(7)>0.5；RJY1(6)/RJY1(7)>0.5。

比值計(jì)算：2.403 4E+07/7.698 9E+07=0.312；3.522 8E+07/7.617 8E+07=0.462。

當(dāng)無法滿足時(shí)，須要求1)中X，Y向比值大于0.7，故本工程仍滿足要求。

3)高位轉(zhuǎn)換剪彎剛度比：轉(zhuǎn)換層以下結(jié)構(gòu)剪彎剛度/轉(zhuǎn)換層以上結(jié)構(gòu)剪彎剛度比大于0.8(按1.0控制)。計(jì)算結(jié)果如下：

X向下部剛度=0.877 3E+07；X向上部剛度=0.765 9E+07；X向等效剛度比=1.145 4；

Y向下部剛度=0.120 2E+08；Y向上部剛度=0.709 7E+07；Y向等效剛度比=1.693 7。

故滿足要求。

4)高度修正后剪彎剛度比：RJX2(6)×H(6)/RJX2(7)×H(7)>1.1。

比值計(jì)算：(3.189 6E+07×6.5)/(5.203 1E+07×3.3)=1.207，故滿足要求。

通過以上各項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果，可以初步判定本工程側(cè)向剛度比滿足要求。

3 高位轉(zhuǎn)換的其他計(jì)算要求

3.1 彈性時(shí)程分析

《高規(guī)》5.1.13條規(guī)定應(yīng)采用彈性時(shí)程分析法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算。其目的就是通過采用實(shí)際地震波(1條人工波，2條天然波)驗(yàn)證在多遇地震作用下結(jié)構(gòu)底部及各層地震剪力是否與振型分解反應(yīng)譜法一致，如不一致，對(duì)振型分解反應(yīng)譜法(CQC法)計(jì)算的地震剪力進(jìn)行修正。步驟如下：

1)選波。

按照多遇地震作用的特征周期進(jìn)行選波，并與CQC法計(jì)算的地震剪力“在統(tǒng)計(jì)意義上相符”。選取地震波結(jié)構(gòu)底部剪力單波值不小于CQC值的65%，多波平均值不小于CQC值的80%。實(shí)際操作時(shí)讓各條波底部剪力在CQC值的80%～100%左右，即使其計(jì)算結(jié)果與CQC吻合，且調(diào)整數(shù)值不要過大。且時(shí)程波與振型反應(yīng)譜法所用的地震影響系數(shù)曲線比對(duì)應(yīng)在結(jié)構(gòu)主要振型的周期點(diǎn)(即T1,T2,T3)上相差不大于20%。

2)根據(jù)位移比、位移角曲線、剪力曲線等判斷結(jié)構(gòu)薄弱層是否與CQC計(jì)算相符。

3)根據(jù)計(jì)算結(jié)果將各層X,Y向地震剪力調(diào)整系數(shù)回代入CQC計(jì)算參數(shù)設(shè)置中重新計(jì)算，并使高位轉(zhuǎn)換的側(cè)向剛度比滿足要求。

3.2 第二種不同力學(xué)模型軟件復(fù)核計(jì)算

《高規(guī)》5.1.12規(guī)定體型復(fù)雜的高層建筑應(yīng)至少采用兩個(gè)不同力學(xué)模型軟件復(fù)核計(jì)算，故本工程采用PKPM中的PMSAP對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行補(bǔ)充復(fù)核計(jì)算，側(cè)向剛度比仍然要滿足要求，且設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意各項(xiàng)參數(shù)、配筋取包絡(luò)值。

3.3 罕遇地震作用下彈塑性分析

《高規(guī)》5.1.13規(guī)定宜采用彈塑性靜力、動(dòng)力分析來補(bǔ)充計(jì)算。其目的就是為了計(jì)算薄弱部位的位移反應(yīng)和變形能力，即考察層間位移角，并判斷薄弱層和薄弱構(gòu)件所在位置。通過考察塑性角出現(xiàn)的位置,判斷強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)柱弱梁的實(shí)施情況，并給出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的加強(qiáng)對(duì)策。

4 結(jié)語

在面對(duì)復(fù)雜高層設(shè)計(jì)時(shí)，除了需要熟悉相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范和圖集外，還應(yīng)多交流多學(xué)習(xí)。設(shè)計(jì)人員更應(yīng)在滿足規(guī)范的前提下，理解規(guī)范的出發(fā)點(diǎn)，利用正確的概念進(jìn)行設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更完善，保證房屋的安全、適用和經(jīng)濟(jì)性。