三層框支剪力墻梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)計(jì)算概要

[摘要]現(xiàn)代高層建筑由于使用功能上要求大空間，往往需要采用轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。本文對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中較為典型的三層框支剪力墻梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的計(jì)算過程做了較為詳細(xì)的說明，旨在拋磚引玉，使讀者能夠?qū)мD(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)。[關(guān)鍵字]三層框支剪力墻;梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)計(jì)算;概要0引言隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，房屋建筑發(fā)展迅速，高層建筑越建越高、越建越大，其建筑向著體型復(fù)雜、功能多樣的綜合性方向發(fā)展，現(xiàn)在采用轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)已較為普遍。例如，沿街住宅房屋底部設(shè)有大空間的商店、汽車庫(kù);有的公寓、高層住宅的底部設(shè)有局部大空間門廳;賓館、飯店上部采用鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)底部需要大空間公共用房等。一般而言，當(dāng)高層建筑下部樓層豎向結(jié)構(gòu)體系或形式與上部樓層差異較大，或者下部樓層豎向結(jié)構(gòu)軸線距離擴(kuò)大或上、下部軸線錯(cuò)位時(shí)，就必須在結(jié)構(gòu)改變的樓層布置轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)是目前高層建筑中實(shí)現(xiàn)垂直轉(zhuǎn)換最常用的結(jié)構(gòu)形式，由于其傳力途徑采用墻(柱)→轉(zhuǎn)換梁→柱(墻)的形式，具有傳力直接、明確和清楚的優(yōu)點(diǎn)，便于工程計(jì)算、分析和設(shè)計(jì)，且造價(jià)較節(jié)省，在實(shí)際工程中的應(yīng)用較廣。下面對(duì)較為典型的三層框支—剪力墻梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的計(jì)算過程做較為詳細(xì)的說明，旨在拋磚引玉，觸類旁通。1結(jié)構(gòu)計(jì)算設(shè)定的條件1.底部大空間為三層框支，以上為剪力墻結(jié)構(gòu)。(注：超過《抗規(guī)》兩層之規(guī)定，但未超過《高規(guī)》的有關(guān)規(guī)定)2.A級(jí)高度的高層建筑，H≤80m。3.8度0.2g抗震設(shè)防。4.轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件為梁，即梁式轉(zhuǎn)換。5.上部結(jié)構(gòu)嵌固在地下室頂面。2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則底部大空間剪力墻結(jié)構(gòu)是一種受力復(fù)雜、不利抗震的建筑結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)須遵循以下原則：2.1減少轉(zhuǎn)換2.2傳力直接2.3強(qiáng)化下部，弱化上部2.4優(yōu)化轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2.5計(jì)算全面準(zhǔn)確3整體分析1.確定地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端時(shí)，應(yīng)進(jìn)行地下一層與一層的剛度比驗(yàn)算。按《高規(guī)》第5.3.7條規(guī)定，側(cè)向剪切剛度比γ≥2時(shí)，可認(rèn)為上部結(jié)構(gòu)嵌固于地下室頂板。(式中符號(hào)含義參《高規(guī)》第E.0.1條式)2.按側(cè)向剛度法，采用SATWE程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析。計(jì)算控制指標(biāo)如下：(1)周期比：在抗震設(shè)計(jì)中為使結(jié)構(gòu)具有必要的抗扭剛度，《高規(guī)》第3.4.5條“對(duì)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動(dòng)為主的第一自振周期T1之比”進(jìn)行了限制，帶轉(zhuǎn)換層的復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)，不應(yīng)大于0.85”。當(dāng)Tt/T1>0.85時(shí)，應(yīng)調(diào)整抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的布置，增大結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。根據(jù)第3.4.5條的條文說明，“當(dāng)扭轉(zhuǎn)方向因子大于0.5時(shí)，則該振型可認(rèn)為是扭轉(zhuǎn)為主的振型?！?2)位移比：在抗震設(shè)計(jì)中為避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的偏心而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，《高規(guī)》第3.4.5條規(guī)定“在考慮偶然偏心影響的規(guī)定水平地震力作用下，樓層豎向構(gòu)件最大的水平位移和層間位移，A級(jí)高度不宜大于該樓層平均值的1.2倍，不應(yīng)大于該樓層平均值的1.5倍”。當(dāng)位移比大于1.2時(shí)，根據(jù)《抗規(guī)》第3.4.3條表3.4.3-1為結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。這時(shí)可通過調(diào)整結(jié)構(gòu)構(gòu)件，使結(jié)構(gòu)的位移比小于1.2，形成扭轉(zhuǎn)規(guī)則結(jié)構(gòu)。若確實(shí)形成扭轉(zhuǎn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)，計(jì)算時(shí)應(yīng)遵守《抗規(guī)》第3.4.4條第1款的要求：應(yīng)采用空間結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，應(yīng)計(jì)及扭轉(zhuǎn)影響，且樓層豎向構(gòu)件最大的彈性水平位移和層間位移分別不宜大于樓層兩端彈性水平位移和層間彈性位移平均值的1.5倍。(3)水平位移框支層的彈性水平位移(抗震時(shí)不考慮偶然偏心的影響)，《高規(guī)》第3.7.3條、《抗規(guī)》第5.5.1條的限值均為1/1000(Δu/h),是為保證結(jié)構(gòu)在正常使用條件下，高層建筑結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度，避免產(chǎn)生過大的位移而影響結(jié)構(gòu)的承載力、穩(wěn)定性和使用要求。(4)剪彎剛度比γe由于結(jié)構(gòu)為三層框支轉(zhuǎn)換，根據(jù)《高規(guī)》第10.2.3條要求：轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度比(剪彎剛度)γe2不應(yīng)小于0.8，計(jì)算簡(jiǎn)圖見下圖。剪彎剛度比(式中符號(hào)含義如《高規(guī)》附錄E)圖1轉(zhuǎn)換層上、下等效側(cè)向剛度計(jì)算模型(a)計(jì)算模型1——轉(zhuǎn)換層及下部結(jié)構(gòu);(b)計(jì)算模型2——轉(zhuǎn)換層上部部分結(jié)構(gòu)(5)側(cè)向剛度比根據(jù)《抗規(guī)》表3.4.3-2要求及《高規(guī)》第3.5.2條要求，應(yīng)全面檢查層間側(cè)向剛度比，看結(jié)構(gòu)是否豎向不規(guī)則，存在薄弱層，以便設(shè)計(jì)時(shí)采取相應(yīng)措施。各層的側(cè)向剛度為三層轉(zhuǎn)換側(cè)剛比的底限，即轉(zhuǎn)換層側(cè)向剛度不應(yīng)小于其上相鄰一層的60%，否則為特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)，屬超限高層。(6)層間受剪承載力比根據(jù)《抗規(guī)》第3.4.3條表3.4.3-2，及《高規(guī)》第3.5.3條要求，樓層抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的層間受剪承載力小于上一樓層的80%時(shí)為豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)，《高規(guī)》規(guī)定底限不應(yīng)小于65%。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)檢查電算結(jié)果中的受剪承載力比。(7)框支柱的內(nèi)力調(diào)整按《高規(guī)》第10.2.17條規(guī)定，其框支柱承受的水平地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按下列規(guī)定采用：1)每層框支柱的數(shù)目不多于10根的場(chǎng)合，當(dāng)框支層為3層及3層以上時(shí)，每根柱所受的剪力應(yīng)至少取基底剪力的3%。2)每層框支柱數(shù)目多于10根的場(chǎng)合，當(dāng)框支層為3層及3層以上時(shí)，每層框支柱承受的剪力之和應(yīng)至少取基底剪力的30%。框支柱剪力調(diào)整后，應(yīng)相應(yīng)調(diào)整框支柱的彎矩及柱端梁的剪力、彎距?！陡咭?guī)》第3.10.4條第2款、第10.2.11條第2款規(guī)定，框支柱為特一級(jí)，一、二級(jí)抗震等級(jí)時(shí)地震作用產(chǎn)生的軸力應(yīng)分別乘以增大系數(shù)1.8、1.5、1.2，但計(jì)算軸壓比時(shí)不考慮該項(xiàng)增大。SATWE程序內(nèi)定對(duì)框支柱的剪力彎矩作了調(diào)整，但對(duì)與框支柱相連的框支梁的剪力彎矩則須由設(shè)計(jì)人員給予調(diào)整，程序開放了一個(gè)控制開關(guān)，允許人為調(diào)整框支梁的內(nèi)力。4整體比較分析《抗規(guī)》第3.6.6條第3款規(guī)定，對(duì)于復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)應(yīng)采用不少于兩個(gè)合適的不同力學(xué)模型進(jìn)行內(nèi)力和變形的分析，并對(duì)其計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析比較。本工程為框支-剪力墻的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，可采用TAT程序(薄壁柱模型)進(jìn)行比較分析。(注：前面用的SATWE程序?yàn)閴υＰ?5彈塑性變形分析若結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度有突變，具有明顯薄弱層(部位)，應(yīng)進(jìn)行彈塑性變形分析。根據(jù)《抗規(guī)》第5.5.3條、《高規(guī)》第5.5.2條，可采用彈塑性分析方法對(duì)罕遇地震作用下的薄弱層(部位)進(jìn)行分析。彈塑性分析方法可采用靜力彈塑性分析法或彈塑性時(shí)程分析法即動(dòng)力彈塑性分析法等。另外，《高規(guī)》第10.2.4條規(guī)定，8度抗震設(shè)防時(shí)跨度大于8m的轉(zhuǎn)換構(gòu)件尚應(yīng)考慮豎向地震。豎向地震作用下，可采用反應(yīng)譜方法或動(dòng)力時(shí)程分析方法計(jì)算。根據(jù)《高規(guī)》第3.7.5條表3.7.5要求，框支層彈塑性層間位移角限值[θp]≤1/120。6局部補(bǔ)充分析根據(jù)《高規(guī)》第10.1.5條：復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)中的受力復(fù)雜部位，宜進(jìn)行應(yīng)力分析，并按應(yīng)力進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)校核。了解應(yīng)力分布情況，并按應(yīng)力進(jìn)行配筋校核，宜采用有限元法進(jìn)行應(yīng)力分析。根據(jù)有關(guān)資料，有限元分析時(shí)宜取轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)以上至少兩層結(jié)構(gòu)進(jìn)入局部計(jì)算模型。7構(gòu)件的配筋計(jì)算7.1框支梁1.框支梁應(yīng)按偏心受拉構(gòu)件進(jìn)行承載力及變形計(jì)算。2.框支梁承托抗震墻并承托轉(zhuǎn)換次梁及其上抗震墻時(shí)，應(yīng)將傳遞給水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件的地震內(nèi)力乘以1.25~1.5的增大系數(shù)后進(jìn)行應(yīng)力分析，按應(yīng)力校核配筋，并加強(qiáng)配構(gòu)造措施。7.2框支梁上一層墻體1.框支梁上一層墻體的配筋計(jì)算宜按《高規(guī)》第10.2.21條第3款進(jìn)行。2.轉(zhuǎn)換梁及其上部墻體的水平施工縫處宜按《高規(guī)》第7.2.12條規(guī)定驗(yàn)算