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摘要:本文阐述了结构受力的特点,以实际工程为例,分析了转换层结构设计中遇到的问题,并对转换层结构设计提出了一些合理建议。
关键词:高层建筑；结构设计；转换层；探讨
Abstract: this paper expounds the characteristics of the structure stress, the actual engineering for example, analyzed the conversion layers problems encountered in the design of structure, and the conversion layers structure design put forward some reasonable Suggestions.
Keywords: high building; Structure design; Conversion layers; explore
中图分類号：[TU208.3]文献标识码：A 文章编号：
1 结构受力特点
工程中经常遇到的带转换层的结构形式即为底层大空间剪力墙结构,即结构的部分剪力墙落地,部分剪力墙在底部变为框架,这种结构形式的受力特点是:
1) 底层大空间剪力墙结构以转换层为界,其上部所有剪力墙变形曲线相似,由水平外力产生的楼层剪力按各片剪力墙的等效刚度比例分配,其下部由于框支剪力墙的侧向刚度急剧变小,使底层框架承担的水平力也迅速减小,而落地剪力墙在底层承担的水平力却迅速增加。
2) 水平力在底层分配关系迅速改变,这种改变是通过转换层的刚性楼板对内力的传递作用而实现的。转换层楼板在完成上下楼层剪力重新分配的同时,自身在平面内受到很大的力,也产生了较明显的平面内变形,从而影响了关于楼板平面刚度无限大的基本假定。
3) 当底层框支柱和落地剪力墙按等效刚度分配水平力时,由于框支柱的侧向刚度通常不到剪力墙侧向刚度的1 % ,因此在计算中它所承担的水平力是极小的。但当转换层楼板有变形时,底层在框支柱区域内水平位移达到最大,从而使框支柱实际受到的剪力要比理论分析所得到的剪力大得多。
以上受力特点表明,转换层上下附近的受力状况是比较复杂的,在工程设计时必须对落地剪力墙和框支柱留有安全储备。
2 工程概况及结构设计
某旧城改造回迁楼工程建筑面积63362m2 ,总建筑层数为地下1 层,地上26层。地下1层为车库及设备配套用房,地上1～2层为商铺,3层～26层为住宅,建筑物总高77.8m ,地下1层整体大地盘，上部结构划分为五个单元。由于功能和使用上的要求,地上1～2层需要大开间,柱距6.9m,8m,因而在结构布置上采用框支剪力墙结构,电梯间核心筒为落地剪力墙,其余为6.9m ,8m 间距的框架柱;3层以上结构形式采用剪力墙结构,为了保证上下层结构受力的准确传递,在3层设梁式结构转换层。
3 结构分析
1) 本工程属丙类建筑,抗震设防烈度为8 度(0. 2g) ,场地类别为Ⅲ类,设计地震分组为第一组,按50 年一遇基本风压值为0. 40kN/ m2 ,地面粗糙度为C 类。
2) 正常设计的高层建筑下部楼层侧向刚度宜大于上部楼层侧向刚度,否则变形会集中于刚度小的下部楼层形成薄弱层,为了防止这种薄弱层的出现，要求楼层侧向刚度不宜小于上部相邻楼层的70 %或其上相邻三层侧向刚度平均值的80 %。在本工程中转换层上一层剪力墙厚度为250 mm ,转换层及以下结构的剪力墙厚度加大为500 mm ,柱子截面尺寸取900 mm ×1300 mm ,1100 mm ×1300 mm 等。
3) 落地剪力墙抗剪能力验算。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》7. 2. 1122 有:
取受力较大的一段墙肢,墙长4m ,墙厚500 mm , V =6980.4kN ,M = 525.5 kN·m , N =22867.8 kN ,经验算满足抗剪要求。
4 结构设计中遇到的问题
4. 1 合理的剪力墙布置对转换层受力的影响
本工程的方案设计由外方承担,户型变换较多，在与中方建筑施工图设计配合中,为了提高建筑物的抗震性能，尽量避免了二级转换和宽扁梁转换,使结构受力更合理。同时，为了发挥转换梁与上部剪力墙的共同拱作用，我们尽量将剪力墙满跨或接近满跨，减少梁中支撑承托上部小墙肢的情况。优化后的转换层结构布置图如图1所示。
图1 转换层结构平面
4. 2 剪力墙的合理布置对上下刚度传递的影响
前面提到要使上下两种不同结构形式内力得以准确传递,首先要尽量避免转换层上下结构的刚度突变,这个问题可从两方面解决,一方面减少上部刚度,即上部住宅能不设剪力墙的部位就不设剪力墙 ,另一方面加大下部刚度,在建筑使用功能允许的条件下,加大落地剪力墙以及框支柱截面,同时注意剪力墙的布局均匀、对称。本工程转换层同其上一层的侧向刚度比为X 向1.3左右 ,Y向1.1左右，结构受力较为合理经济。
4. 3 转换梁刚度对其自身内力、配筋及上部剪力墙内力的影响
由于转换层附近结构内力分布非常复杂,一般在实际工程中首先根据建筑设计要求估算确定剪力墙的布置,对转换梁的构件尺寸进行计算、试算、调整,有关资料表明,转换梁断面一般宜由剪压比控制,以避免脆性破坏和具有合适的含箍率,本工程框架抗震等级为一级,适宜的转换梁剪压比控制值应为0. 08 左右。转换梁剪压比:
式中: Vmax ———转换梁支座截面最大组合剪力设计值,kN ;
fc ———转换梁混凝土抗压设计强度,MPa ;
b ———转换梁截面的宽度,m;
h0 ———转换梁截面有效高度,m。
在初步计算时，根据工程经验，Vmax=（0.4～05）G，G为转换梁上全部重力荷载设计值。
经过计算比较,结合建筑层高要求，本工程转换梁断面取600mm ×1200mm以及700mm ×1200mm。
4.4 转换梁截面设计方法分析
转换梁截面设计方法主要有三种：1、普通梁截面计算，直接取用高层建筑结构计算分析程序（如PKPM）内力计算结果进行计算；2、偏心受拉构件截面计算，将转换梁进行有限元分析得出的应力转换成截面内力进行计算；3、深梁截面计算，转换梁与上部墙体组合成一倒T形深梁进行计算。
普通梁截面计算适用于转换梁承托上部普通框架柱或上部小墙肢，偏心受拉构件截面计算适用于转换梁承托上部斜杆框架，其余情况适合采用深梁截面计算方法。本工程转换梁承托小墙肢以及满跨或接近满跨墙体，故采取普通梁及深梁截面计算方法。普通梁截面计算方法直接读取PKPM计算结果，深梁计算方法则取转换层以上三层高度墙体与转换梁一起组成倒T深梁，对PKPM计算结果进行核算。
5 结语
从以上的分析比较可以得出以下结论:1) 在进行实际工程设计时,应从建筑功能、结构受力、设备使用、经济合理等多方面入手进行结构的选型和柱网布置,选择合适的构件尺寸。2) 框支剪力墙结构设计时,应严格地控制剪切刚度比,它对整体结构变形及结构安全有着重要的意义。3)框支梁上部结构布置直接影响框支梁的受力方式和计算方式。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词:高层建筑；结构设计；转换层；探讨
Abstract: this paper expounds the characteristics of the structure stress, the actual engineering for example, analyzed the conversion layers problems encountered in the design of structure, and the conversion layers structure design put forward some reasonable Suggestions.
Keywords: high building; Structure design; Conversion layers; explore
中图分類号：[TU208.3]文献标识码：A 文章编号：
1 结构受力特点
工程中经常遇到的带转换层的结构形式即为底层大空间剪力墙结构,即结构的部分剪力墙落地,部分剪力墙在底部变为框架,这种结构形式的受力特点是:
1) 底层大空间剪力墙结构以转换层为界,其上部所有剪力墙变形曲线相似,由水平外力产生的楼层剪力按各片剪力墙的等效刚度比例分配,其下部由于框支剪力墙的侧向刚度急剧变小,使底层框架承担的水平力也迅速减小,而落地剪力墙在底层承担的水平力却迅速增加。
2) 水平力在底层分配关系迅速改变,这种改变是通过转换层的刚性楼板对内力的传递作用而实现的。转换层楼板在完成上下楼层剪力重新分配的同时,自身在平面内受到很大的力,也产生了较明显的平面内变形,从而影响了关于楼板平面刚度无限大的基本假定。
3) 当底层框支柱和落地剪力墙按等效刚度分配水平力时,由于框支柱的侧向刚度通常不到剪力墙侧向刚度的1 % ,因此在计算中它所承担的水平力是极小的。但当转换层楼板有变形时,底层在框支柱区域内水平位移达到最大,从而使框支柱实际受到的剪力要比理论分析所得到的剪力大得多。
以上受力特点表明,转换层上下附近的受力状况是比较复杂的,在工程设计时必须对落地剪力墙和框支柱留有安全储备。
2 工程概况及结构设计
某旧城改造回迁楼工程建筑面积63362m2 ,总建筑层数为地下1 层,地上26层。地下1层为车库及设备配套用房,地上1～2层为商铺,3层～26层为住宅,建筑物总高77.8m ,地下1层整体大地盘，上部结构划分为五个单元。由于功能和使用上的要求,地上1～2层需要大开间,柱距6.9m,8m,因而在结构布置上采用框支剪力墙结构,电梯间核心筒为落地剪力墙,其余为6.9m ,8m 间距的框架柱;3层以上结构形式采用剪力墙结构,为了保证上下层结构受力的准确传递,在3层设梁式结构转换层。
3 结构分析
1) 本工程属丙类建筑,抗震设防烈度为8 度(0. 2g) ,场地类别为Ⅲ类,设计地震分组为第一组,按50 年一遇基本风压值为0. 40kN/ m2 ,地面粗糙度为C 类。
2) 正常设计的高层建筑下部楼层侧向刚度宜大于上部楼层侧向刚度,否则变形会集中于刚度小的下部楼层形成薄弱层,为了防止这种薄弱层的出现，要求楼层侧向刚度不宜小于上部相邻楼层的70 %或其上相邻三层侧向刚度平均值的80 %。在本工程中转换层上一层剪力墙厚度为250 mm ,转换层及以下结构的剪力墙厚度加大为500 mm ,柱子截面尺寸取900 mm ×1300 mm ,1100 mm ×1300 mm 等。
3) 落地剪力墙抗剪能力验算。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》7. 2. 1122 有:
取受力较大的一段墙肢,墙长4m ,墙厚500 mm , V =6980.4kN ,M = 525.5 kN·m , N =22867.8 kN ,经验算满足抗剪要求。
4 结构设计中遇到的问题
4. 1 合理的剪力墙布置对转换层受力的影响
本工程的方案设计由外方承担,户型变换较多，在与中方建筑施工图设计配合中,为了提高建筑物的抗震性能，尽量避免了二级转换和宽扁梁转换,使结构受力更合理。同时，为了发挥转换梁与上部剪力墙的共同拱作用，我们尽量将剪力墙满跨或接近满跨，减少梁中支撑承托上部小墙肢的情况。优化后的转换层结构布置图如图1所示。
图1 转换层结构平面
4. 2 剪力墙的合理布置对上下刚度传递的影响
前面提到要使上下两种不同结构形式内力得以准确传递,首先要尽量避免转换层上下结构的刚度突变,这个问题可从两方面解决,一方面减少上部刚度,即上部住宅能不设剪力墙的部位就不设剪力墙 ,另一方面加大下部刚度,在建筑使用功能允许的条件下,加大落地剪力墙以及框支柱截面,同时注意剪力墙的布局均匀、对称。本工程转换层同其上一层的侧向刚度比为X 向1.3左右 ,Y向1.1左右，结构受力较为合理经济。
4. 3 转换梁刚度对其自身内力、配筋及上部剪力墙内力的影响
由于转换层附近结构内力分布非常复杂,一般在实际工程中首先根据建筑设计要求估算确定剪力墙的布置,对转换梁的构件尺寸进行计算、试算、调整,有关资料表明,转换梁断面一般宜由剪压比控制,以避免脆性破坏和具有合适的含箍率,本工程框架抗震等级为一级,适宜的转换梁剪压比控制值应为0. 08 左右。转换梁剪压比:
式中: Vmax ———转换梁支座截面最大组合剪力设计值,kN ;
fc ———转换梁混凝土抗压设计强度,MPa ;
b ———转换梁截面的宽度,m;
h0 ———转换梁截面有效高度,m。
在初步计算时，根据工程经验，Vmax=（0.4～05）G，G为转换梁上全部重力荷载设计值。
经过计算比较,结合建筑层高要求，本工程转换梁断面取600mm ×1200mm以及700mm ×1200mm。
4.4 转换梁截面设计方法分析
转换梁截面设计方法主要有三种：1、普通梁截面计算，直接取用高层建筑结构计算分析程序（如PKPM）内力计算结果进行计算；2、偏心受拉构件截面计算，将转换梁进行有限元分析得出的应力转换成截面内力进行计算；3、深梁截面计算，转换梁与上部墙体组合成一倒T形深梁进行计算。
普通梁截面计算适用于转换梁承托上部普通框架柱或上部小墙肢，偏心受拉构件截面计算适用于转换梁承托上部斜杆框架，其余情况适合采用深梁截面计算方法。本工程转换梁承托小墙肢以及满跨或接近满跨墙体，故采取普通梁及深梁截面计算方法。普通梁截面计算方法直接读取PKPM计算结果，深梁计算方法则取转换层以上三层高度墙体与转换梁一起组成倒T深梁，对PKPM计算结果进行核算。
5 结语
从以上的分析比较可以得出以下结论:1) 在进行实际工程设计时,应从建筑功能、结构受力、设备使用、经济合理等多方面入手进行结构的选型和柱网布置,选择合适的构件尺寸。2) 框支剪力墙结构设计时,应严格地控制剪切刚度比,它对整体结构变形及结构安全有着重要的意义。3)框支梁上部结构布置直接影响框支梁的受力方式和计算方式。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。