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1、高層建筑梁式轉換結構設計分析中圖分類號：TU2文獻標識碼： A 文章編號： 摘 要：近幾年，建筑業的蓬勃發展，建筑的體型日益增大，功能日益多樣，結構日益復雜，結構設計要求也日益提高。轉換層結構由于其特有的優點在高層建筑領域占有重要的地位。本文結合實際工程實例，探討了建筑梁式轉換結構設計方法，并在文末簡要地提出筆者自己的體會。關鍵詞：高層建筑；梁式轉換結構；設計目前，隨著我國人民生活水平提高，建筑事業的高速發展，建筑結構和功能日益復雜，平明布置及立體構造復雜度大為提高。由于建筑結構復雜，建筑上部和下部結構體系差別較大，這需要設計轉換層以滿足建筑設計的需要。目前，轉換層結構應用廣泛，形式也多樣。而2、其中，以梁式轉換層結構應用最為廣泛。本文就結合工程實例，探討梁式轉換層結構的設計方案。1工程概況該高層建筑為2塔樓和裙樓構成，地下1層，地上12層。14層層高4.5m，13層作商業房，4層為文化娛樂場所，轉換層設在第4層，層高5.7m；5層為空中花園，6層以上均為民用住宅，層高3.0m。由地質勘查資料得知，現場地質結構穩定，為屬抗震有利區。本工程6度設防，設計風壓值0.70kN/m2。2結構方案及布置2.1結構設計難點分析由于本建筑同一層的戶型差異較大。為了最大限度地爭取有效建筑面積，建筑采用短肢剪力墻結構。底部4層商業、娛樂用房采用框支剪力墻結構體系。由于該結構的復雜性，缺失抗震功能，故于設3、計結構總體過程中有必要控制轉換頻率，簡化傳力途徑。本工程在施工中主要要解決的問題包括兩點：一是為確保建筑結構在豎向方向的剛度保持均勻，需要最大限度地設置上下貫通構件。選擇在電梯井道、消防樓梯間及電梯廳，布置一中央核心筒。二是對裙樓柱網進行科學設置，確保凌空剪力墻可架在轉換層托梁之上。2.2抗震等級的確定本建筑以第4層轉換層為界，上面為短肢剪力墻結構，下面為部分框肢剪力墻結構，所以其抗震等級也不能一概而論，需要針對不同部位的結構決定。一般而言，工程抗震烈度為6度，框支框架及剪力墻底部加強部位的等級均為二級，而非剪力墻底部加強部位的等級設為四級。但是本工程為高位轉換，就是轉換層處于3層以上，按相關4、規定，框支柱及剪力墻底部加強部位的抗震等級壁普通的都要提高一個等級，所以，最后，設計人員確定在本工程抗震等級方面設定一級框支柱和剪力墻底部加強部位。2.3結構豎向布置一般而言，高層建筑側向剛度從上到下，均勻遞增，上下差別比較明顯。但帶有轉換層結構尤其是高危轉換結構的高層建筑并非如此，此類建筑的轉換層側向剛度上下基本一般，比例宜接近1。設計中要注意加強下部結構，消弱上部結構，但要防止建筑出現薄弱環節。筆者認為需要做好以下幾個方面的工作。第一，對于具備落地條件的剪力墻，就好盡量使其落地，甚至可考慮于建筑底端增設一些剪力墻，加大底部支撐力度。第二，適當加強底部結構，弱化上部結構，以轉換層為界，下部設5、置厚350mm的剪力墻，上部設置厚200mm的短肢剪力墻。第三，在滿足框支柱、短肢剪力墻軸壓比的基礎上調整框支柱大小及短肢剪力墻長度。通過以上措施，本設計采用樓層剛度算法剪彎剛度算法，X方向等效剛度比= 0.9965，Y方向等效剛度比= 1.0637，能有效控制上、下側向剛度比。2.4結構平面布局因本工程帶有轉換層，結構布置不對稱，經過反復地核算，將質量中心和剛度中心偏差控制在1m之內，效果較好。除了中央核心筒，其他的剪力墻布置都達到分散、均勻的設計要求。為了提高建筑的抗扭能力，加大周邊剛度，削弱中央核心筒剛度，在不影響建筑功能的條件下將建筑物邊長短肢剪力墻調整為剪力墻。通過分析計算可得，扭轉6、為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期的比值在0.9以內，可以同時滿足保證抗扭能力及平面布置的需要。布置合理，效果良好。3結構計算和分析利用SATWE軟件采用三維殼元有限元模型進行結構的計算和分析。計算分析結果如下：3.1軟件計算結果對于SATWE軟件，主要處理的數據為扭轉耦聯時的振動周期、轉角、平動系數及扭轉系數，具體結果見表1、2所示：表1：SATWE軟件1塔計算結果3.2軟件計算結果分析由以上計算結果可以看出其相關數值在都處于規范設定的范圍之內，這顯示建筑結構布置較為合理。此外，要針對受力較為復雜如轉換梁部位分析其應力情況，并相應地做好配筋設計校核。采用高精度平面有限元FEQ軟件分析7、應力，并要考慮到下面幾個方面：第一，分析對象限制在主梁承托的框支榀。第二，為控制整體分析的誤差，宜全軸線截取計算榀。第三，通常截取框支層以上3層。第四，利用SATWE軟件采用墻元、殼元模型整體分析轉換層結構，以便使FEQ在分析傳遞荷載時精確度更高。第五，FEQ主要計算框支托梁配筋、剪力墻加強部位的配筋，其他部位、構件的配筋最好參考整體分析的結果。通過校核結果得知，計算結果FEQ軟件的框支梁底筋一般都較之SATWE軟件要小，部分FEQ軟件有限元計算值較之SATWE軟件要大。4建筑結構設計要點分析4.1框支柱確定框支柱截面尺寸的主要方案為通過控制軸壓比以滿足剪壓比要求為宜。本工程設置1級抗震的框支8、柱，軸壓比控制在0.6以內，對于一些截面偏大的短柱，軸壓比要控制在0.55以內。另外，柱截面延性還有重要的影響因素為配箍率，同普通框架相比，框支柱配箍率要高很多，一般要控制在1.5%以上，箍筋要確保在10100以上，全長加密。由于框支柱在高層建筑中對建筑穩定性有著極大的影響，為充分保證建筑安全性，將柱端剪力和彎矩都乘上適當的擴大系數，每層框支柱承受剪力大小之和取30%的基底剪力大小。若通過軟件編程計算，通常樓板剛度都設為，水平剪力按豎向構件的剛度分配，底部剪力墻剛度遠大于框支柱，導致框支柱剪力很小。但在實際工程中難免會出現樓板變形及墻體裂縫的情況，樓板剛度減小會導致框支柱剪力的提高。所以需要特9、別對此作出規定。此外，為確保轉換層具有良好的銜接能力，框支柱上部墻體范圍內的縱筋應伸入上部墻體內一層；墻體范圍內的其他縱筋全部水平錨入轉換層梁板內，以滿足錨固要求。4.2框支梁框支梁截面尺寸一般由剪壓比控制，寬度不小于其墻上厚度的2倍，且不小于400mm； 高度不小于計算跨度的1/6。工程框支梁寬度為700800mm。框支梁受力巨大且受力情況復雜，它不但是上下層荷載的傳輸樞紐，也是保證框支剪力墻抗震性能的關鍵部位，是一個復雜而重要的受力構件，因而在設計時應留有較多的安全儲，一級抗震等級的框支梁縱筋配筋率不得小于0.5%。框支柱在滿足計算要求下，配筋率不得小于0.8%。框支梁一般為偏心受拉構件，10、梁中有軸力存在，因此應配置足夠數量的腰筋，腰筋采用18，沿梁高間距不大于200mm，并且應可靠錨入支座內，框支梁受剪很大，而且對于這樣的抗震重要部位，更應強調“強剪弱彎”原則，在縱筋已有一定富余的情況下，箍筋更應加強，箍筋采用16100六肢箍全長加密，配箍率達到1.18%。4.3轉換層樓板框支剪力墻結構以轉換層為分界，上下兩部分的內力分布規律是不同的。在上部樓層，外荷載產生的水平力大體上按各片剪力墻的等效剛度比例分配； 而在下部樓層，由于框支柱與落地剪力墻間的剛度差異，水平剪力主要集中在落地剪力墻上，即在轉換層處荷載分配產生突變。轉換層樓板承擔著完成上下部分剪力重分配的任務； 并且由于轉換層樓11、板必須有足夠的剛度保證。轉換層樓板采用C30的混凝土，厚度180mm。10150鋼筋雙層雙向整板拉通，配筋率達到0.31。另外，為了協助轉換層樓板完成剪力重分配，將該層以上及以下各一層樓板也適當加強，均取厚度150mm。5結束語在建筑設計前就要對整個體系有一個清楚的把握，分析設計方案的弊端，如結構薄弱環節可能帶來的缺陷，需要有一個清楚的認識。框支剪力墻結構體系是不利于抗震的，設計的關鍵部位就為轉換層設計。如果為高位轉化層，即3層以上，需要對底部框支層剛度采取必要的加強措施，避免底部移動突變。轉換梁的受力受到上部墻體分布和梁支座約束情況影響。如果轉換梁和上部剪力墻共同工作支座約束較強，梁為偏心受拉構件。對于梁抬柱或抬小墻肢情況，轉換梁可以為全跨偏心受壓。參考文獻：1李春富. 淺析高層建筑梁式轉換層的設計J. 中國科技信息. 2005(12)2劉喜平. 轉換梁對高層框剪結構受力性能的影響J. 低溫建筑技術. 2012(02)3劉躍平. 高層建筑框支剪力墻轉換層結構的設計J. 湖南工程學院學報(自然科學版). 2008(04)4程曉杰,李美齡. 某框架-剪力墻體系高層結構抗震性能分析J. 安徽建筑工業學院學報(自然科學版). 2012(01)5湯美清. 高層建筑轉換層結構施工技術分析J. 甘肅聯合大學學報(自然科學版). 2011(01)注：文章內所有公式及圖表請以PDF形式查看。