《转换层结构的分析》PPT课件.ppt

带转换层高层建筑结构 分析 l 在高层建筑结构的底部，当上部楼层部分 竖向构件（剪力墙、框架柱）不能直接连续 贯通落地时，应设置结构转换层，在结构转 换层布置转换结构构件。 l 当高层建筑上部楼层竖向结构体系与下部 楼层差异较大，或者下部楼层竖向结构轴线 距离扩大或上、下部结构轴线错位时，就必 须在结构改变的楼层布置转换层结构。 l 底部大空间部分框支剪力墙结构，上部 为剪力墙结构，底部数层为落地剪力墙 或筒体和支承上部剪力墙的框架组成的 协同工作结构体系。 l 这种结构类型由于底部有较大空间，能 适用于许多建筑功能的要求，广泛用于 底部是商店、餐厅、车库、机房等用途 ，上部为住宅、公寓、饭店等高层建筑 。 一、转换结构的计算模型 l高规10.1.2条文说明，带转换层结构，抗 震设计时应采用至少两个不同力学模型 的结构分析软件进行整体计算。 l高规10.1.5条，复杂高层建筑结构中的受 力复杂部位，宜进行应力分析，并按应 力进行配筋设计校核。 1.1 梁托柱的转换结构 l这类转换层的计算模型，可以仍采用 杆模型。 l如结构中较多轴线采用梁托柱的传力形式 ，则该结构也应该定义为“复杂高层”，托 柱梁应按框支梁设计及构造控制，当转换 层在3层及3层以上时，框支柱的抗震等级 应提高1级；在特殊构件定义中应把与托柱 梁相连的柱定义为框支柱，以便内力调整 。 1.2 框支剪力墙转换结构 l高规10.2.10条，转换层上部的竖向抗侧 力构件（墙、柱）宜直接落在转换层主 结构上。当结构竖向布置复杂，框支主 梁承托剪力墙并承托转换次梁及其上剪 力墙时，应进行应力分析，按应力校核 配筋，并加强配筋构造措施。 lB级高度框支剪力墙高层建筑的结构转换 层，不宜采用框支主、次梁方案。 l 框支剪力墙结构宜采用墙元（壳元）模 型，如SATWE、PMSAP等。 l 框支托梁的构造应按高规的相应要求控 制，如托梁上的洞口布置、托梁的腰筋 配置等等；框支柱、托梁均应在特殊构 件中单独定义，否则程序不会按框支柱 、托梁进行设计控制。 l 可以用FEQ对主梁托墙的框支榀进行二 次应力分析，FEQ可以按高规的要求进 行加强部位的应力配筋。 l 次梁托墙的转换榀则无法进行平面应力 分析。 l “高规”10.2.1条，非抗震设计和6度抗震设计 可采用；7、8度抗震设计的地下室转换构件可 采用厚板。 l 厚板转换层结构，目前缺乏完善的分析方法 ，应尽量避免采用。 l 整体计算时厚板一定要考虑厚板面外的变形 ，这样才能把上部结构、厚板、下部结构的变 形、传力等计算合理，由于厚板上下传力的特 殊性，厚板面外变形的正确考虑，决定了计算 结果的正确性。厚板平面内可以按无限刚考虑 。 1.3 厚板转换结构 l 在用SATWE、PMSAP进行结构的整体 分析时，应使厚板上下结构的轴线在厚 板这层同时画出，并在轴线上布置 100*100的虚梁，当虚梁所围成的房间较 大时还应增加虚梁，人工地细分厚板单 元。最后在分析时厚板必须定义为弹性 楼板（可以用“弹性板3” 面内无限刚，面 外有刚度）。 l 此外厚板本身的细部分析，可以借助 二次分析程序SLABCAD完成，其中板的 配筋、冲切、应力验算等均包含在内。 l SATWE厚板的分析与结构整体分析是分开的 ，在整体分析中考虑板的变形是为了结构中除 厚板以外构件分析的准确性。 l PMSAP则是板与其它构件一起分析、配筋。 l 支撑厚板的柱均应定义为框支柱。 1.4 超大梁转换结构 l 一般这种超大梁占有一层的高度（剪力 墙），分析模型与构件的配筋模型难以统 一，所以采用两次分析用不同的计算模型 来分别解决。 l1） 梁所在的一层仍按一层结构输入，大 梁按剪力墙定义，此时可以正确分析整体 结构及构件内力，除大梁（用剪力墙输入 ）的配筋不能用以外，其余构件的配筋均 能参考采用； l2） 把大梁作为一层输入，即两层合并为 一层，大梁则按梁定义，层高为两层之 和，这种计算模型仅用于考察、计算大 托梁受力、配筋，其余构件及结构整体 分析的结果可以不用。 l 层高的增加使柱的计算长度增加，此时 程序自动考虑柱上端的刚域，亦使结构 分析准确。也可以用FEQ进行二次分析 。 1.5 桁架转换结构 l 桁架转换结构可由SATWE、TAT、PMSAP 输入计算，其分析的关键是桁架上、下层弦 杆的轴力，所以在分析时一定要把上、下弦 杆层的楼板定义成弹性楼板6或弹性膜，以便 计算出上、下弦杆的轴力。 l 当斜腹杆的布置比较简单，只与上、下楼 层节点相连，则用SATWE、TAT计算没有问 题；如果斜腹杆布置复杂，用SATWE、TAT 计算时就需要简化。 l 复杂连接的转换结构可以用SPASCAD建模 ，PMSAP计算。 二、转换结构的设计控制 2.1总体要求的条文规定及软件操作 l 高规条文： l1）表4.2.2-1和表4.2.21关于A、B级最大适用高度 的规定； l2）第10.2.2条 8度不宜超过3层；7度不宜超过5层； 框支层层数规定； l3）第10.1.2条 9度抗震设计，不应采用带转换层结 构； l4）按表4.8.2和表4.8.3，正确填写结构构件的抗震 等级； l5）第10.2.3 条，底部带转换层的高层建筑结构布置 有关规定。 设定底部带转换层高层 建筑结构 l注意：SATWE、TAT和PMSAP目前将底部带 转换层高层建筑结构包含在复杂高层结构中 ，没有细分。 ll SATWE l 进入菜单1.接PM生成SATWE数据 1.分析与设计参数补充定义总信息 。 l 在结构体系框中选取复杂高层结构即可 。 l 在转换层所在层号项内转换层填入所在的 结构自然层号。若有地下室则包括地下室层号 在内。 设定框架、剪力墙的抗震等 级 ll SATWE l 进入菜单1.接PM生成SATWE数据 1.分析与设计参数补充定义 地震信息。 l 在框架抗震等级项内选择抗震等级 。 l 在剪力墙抗震等级项内选择抗震等 级。 关联操作： l抗震等级：用户若要细调每根构件的抗 震等级可进行此项操作。经此操作后的 构件抗震等级不会再自动提高。 l计算软件，对以上内容不进行检 查和纠错。 2.2 刚度控制及软件输出 1）位移比周期比 l高规的4.3.5条规定，楼层竖向构件的最大水 平位移和层间位移， l A、B级高度高层建筑均不宜大于该楼 层平均值的1.2倍； l A级高度高层建筑不应大于该楼层平均 值的1.5倍， l B级高度高层建筑、混合结构高层建筑 及复杂高层建筑，不应大于该楼层平均值的 1.4倍。 l高规的4.3.5条规定，结构扭转为主的第 一周期Tt与平动为主的第一周期T1 之比 ， A级高度高层建筑不应大于0.9； l B级高度高层建筑、混合结构高层建筑 及复杂高层建筑不应大于0.85。 l这是一般高层建筑结构，要满足的；带 转换层高层建筑结构也是如此。 l2）转换层上部与下部结构的侧向刚度比 l 高规的10.2.3条2款，转换上部结构与 下部结构的侧向刚度比的计算和限值， 应符合附录E的规定。 l 结构计算软件，按附录E的计算方法， 计算了侧刚比。 l 高规附录E中E.0.1是针对转换层位于1 层的，采用转换层上、下层结构等效剪 切刚度比算法， 宜为1，限制非抗震设计 时不应大于3，抗震设计时不应大于2。 l E.0.2是针对转换层位置大于1层的，采 用转换层的上部结构与带转换层的下层 结构等效侧向刚度比算法， 宜为1，限制 非抗震设计时不应大于2，抗震设计时不 应大于1.3。 l 当转换层设置在3层及3层以上时转换层 本层侧向刚度不应小于相邻上一层楼层 侧向刚度的60%。 l l上机操作： l三种计算层侧向刚度的方法 l方法1-高规附录E.0.1的剪切刚度：Ki = Gi Ai / hi ，适用于转换层位于1层的刚度突变的控制； l l方法2-高规附录E.0.2的方法剪弯刚度：Ki = 1 / i ，适用于转换层位置大于1层的刚度突变的控制； l方法3-地震剪力与地震层间位移的比：Ki = Vi / Ui，适用于转换层设置在3层及3层以上时转换层本层 侧向刚度不应小于相邻上一层楼层侧向刚度的60%的 控制。 l l 转换层位于1层时用户应该采用剪切刚度 方法计算层刚度， l l 当转换层位置大于1层用户应该采用剪弯刚 度方法计算层刚度， l l 转换层设置在3层及3层以上时用户还要采用 地震剪力与地震层间位移的比方法再计算一次 层刚度，从而进行转换层本层侧向刚度不应小 于相邻上一层楼层侧向刚度的60%的下限控制 。目前程序未输出超下限的警告提示。 l当转换层设置在3层及3层以上的结构要 计算两次，才能正确地做好转换层上、 下刚度突变的控制。 l结果说明： lSATWE可在WMASS.OUT文件中查看 l l= 高位转换时转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比 l= l 转换层所在层号= 3 l 转换层下部结构起止层号及高度= 1，3，10.10 l 转换层上部结构起止层号及高度= 4，6，8.10 l X方向下部刚度= 0.2353E+08，X方向上部刚度= 0.2769E+08， l X方向刚度比= 0.9439 l Y方向下部刚度= 0.4338E+08，Y方向上部刚度= 0.3284E+08， l Y方向刚度比= 0.6072 2.3 剪力墙底部加强部位 l 高规的10.2.4条，剪力墙底部加强部位 的高度可取框支层加上框支层以上两层 的高度及墙肢总高度的1/8二者的较大值 。 l 程序按此规定，自动确定剪力墙底部加 强部位，并执行与之有关的相应操作。 lWMSS.OUT文件中有输出： l l剪力墙底部加强区信息. l剪力墙底部加强区层数 IWF= 5 l剪力墙底部加强区高度(m) Z_STRENGTHEN= 22.90 2.4 抗震等级 l 当转换层位置设置在3层或3层以上时，框支 柱、位于底部加强部位的剪力墙抗震等级宜按 表4.8.2 和表4.8.3 规定提高一级采用，已为特 一级可不再提高。 l 对凡是在整体结构抗震等级中定义的，程序 自动判断，是否复杂高层，转换层是否在3层 及以上，而对框支柱，底部加强部位的剪力墙 的抗震等级提高一级， l 对底部加强部位的不落地剪力墙的抗震等级 不予提高； l 对于在“特殊构件” 菜单中另行改动了抗震等 级，则不做调整。 l最终调整的结果，可在配筋文件中看到，用户 可进一步核实。 2.5 薄弱楼层地震剪力放大 l 高规的10.2.6 条，带转换层高层建筑结 构，其薄弱层地震剪力应按高规的5.1.14 条规定乘以1.15增大系数。 l 程序依据5.1.14条，检查相邻层刚度比 ，当楼层抗侧刚度小于其上层70%，或 小于其上相邻三层侧向刚度平均值的 80%，则将该楼层构件的地震内力乘以 1.15。用户可在WMASS.OUT、TAT- M.OUT文件中看到薄弱层信息。 l 转换层是竖向抗侧力构件不连续贯通， 按抗规表3.4.2-2，属竖向不规则，该楼 层地震剪力应乘1.15增大系数。 l 此项要点，软件没有自动实现，用户自 行指定转换层为薄弱层，以便程序对该 层的地震剪力提高。 2.6 楼层最小地震剪力系数控制 l高规的3.3.13 条，水平地震作用计算时，结构 各楼层对应于地震作用标准值的剪力应符合表 3.3.13的要求。 楼层最小地震剪力控制（抗震规范 5.2.5，高规 3.3.13） 抗震验算时，结构任一楼层的水平地震剪力应符合下 式要求 VEKi(Gi+ Gi+1 +.+Gn) 式中VEki第i层对应于水平地震作用标准值的楼层剪 力； -剪力系数，不应小于下表规定的楼层最小地 震剪力系数值，对于竖向不规则结构的薄弱层，尚应 乘以1.15的增大系数； Gi-地震时结构第i层的重力荷载代表值。 （结构自重标准值加可变荷载组合值） 楼层最小地震剪力系数值 类 别 7度 8度 9度 扭转效应明显或 基本周期小于3.5s 0.016(0.024) 0.032(0.048) 0.064 基本周期大于5.0s 0.012(0.018) 0.024(0.032) 0.040 注 1、基本周期介于3.5s和5s之间的结构，可插入取值； 2、括号内数值分别用于设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地 区。 水平地震影响系数最大值max 0.08（ 0.12 ） 0.16（ 0.24） 0.32 l程序给出一个控制开关，由设计人员决 定是否由程序自动进行调整。若选中由 程序自动进行调整，则程序对结构的每 一层剪重比进行判断，若小于规范要求 ，则相应放大该层的地震作用效应。 l 当结构的地震作用不满足规范要求的最小剪 力系数时，首先要检查采用振型分解反应谱法 选取的振型个数是否足够多；即参与振动的有 效质量是否满足了大于90%的要求。不满足此 要求，可能是一些高振型的地震贡献没被计算 在内；还过少，则反映了结构刚度和质量可能 存在不合理分布，严格来说，需要调整结构布 置以使其满足最小剪力系数要求。 l 本参数打开时程序自动调整放大地震作用效 应以使其满足最小剪力系数要求，此时用户仍 应知道该结构的方案可能是存在缺陷的。 2.7 框剪结构、框支结构柱 地震剪力调整 l框剪结构的0.2Qo调整 l 框架部分的地震剪力，不应小于结构底部总地震剪力 的20%和按框剪结构分析的框架部分各楼层地震剪 力中最大值1.5倍二者的较小值。 l框支柱地震作用下的内力调整 l1）框支柱数目不多于10根时:当框支层为12层时各 层每根柱所受的剪力应至少取基底剪力的2%； l2）当框支层为3层及3层以上时，各层每根柱所受的 剪力应至少取基底剪力的3%。； l3）框支柱数目多于10根时，当框支层为 12层时每层框支柱所承受剪力之和应 取基底剪力20%； l4）当框支层为3层及3层以上时，每层框 支柱所承受剪力之和应取基底剪力30% 。 l框支柱剪力调整后，应相应调整框支柱 的弯矩及柱端梁的剪力、弯矩。 l框支柱地震轴力增大 l高规4.9.2、10.2.12条规定规定，框支柱在特一 级、一、二级抗震时，地震作用产生的轴力分 别乘以增大系数1.8、1.5、1.2。但在计算轴压 比时不考虑该增大系数。 l 框架梁的弯矩剪力 l SATWE、TAT、PMSAP在执行本条时，自 动对框支柱的弯矩剪力作调整，由于调整系数 往往很大，为了避免异常情况，程序给出一个 控制开关，由设计人员决定是否对与框支柱相 连的框架梁的弯矩剪力进行相应调整。 三、转换结构的设计内力调整 框架柱、框支柱设计内力调整系数 框架柱、角柱和框支柱设计内力调整框架柱、角 柱和框支柱设计内力调整 一般剪力墙结构设计内力调整系数 带转换层结构剪力墙设计内力调整系数 框架梁、连梁设计剪力调整系数 框支柱设计轴力调整工程例 工程例 E169，22层，高度61.6m ，底三层框支 ，上部19层剪力墙 ， 7度 。框支柱一级抗震 。框支柱轴力调整系数 1.5。考察第三层第15 柱。 第三层(转换层 )平面 第三层框支柱 （柱号 15)标准内力中的轴力 - N-C =15 Node-i=463, Node-j= 299,DL= 3.700(m),Angle=0.000 Shear-X Shear-Y Axial Mx-Btm My-Btm Mx-Top My-Top ( 1) -4.4 -7.5 161.3 -6.9 -4.5 20.8 11.8 ( 2) -6.5 -34.7 -52.4 34.7 -7.0 93.8 17.0 ( 3) -2.4 -1.7 85.7 1.3 -2.4 5.2 6.6 ( 4) -2.9 -15.6 -26.4 15.4 -3.0 42.3 7.6 ( 5)176.6 -42.6 -5148.0 32.1 133.8 125.5 -519.6 ( 6) 34.7 -4.8 -1030.4 3.8 26.4 14.0 -102.0 - 第三层框支柱（第 15柱）设计轴力(第 28 种组合 ) 计算 1.2*(-5148.)+0.6*(-1030.4)+0.28*85.7 +1.3*161.3*1.5 =-6457.3 第三层框支柱（第 16柱）设计轴力(第 40 种组合 ) 计算 1.0*(-4657.4)+0.5*(-798.8)+0.28*(- 247.9) -1.3*(-468.2)*1.5=-4213.2 1.5系数只对地震作用产生的轴力进行放大 框支托梁设计内力调整工程例 框支托梁弯矩 、剪力调整工程例（第三层 ） 框支托梁地震剪力调整 a、薄弱楼层 1 .15 调整 b、框剪 0.2Q0调整 c、高规 10.2.6 转换构件地震内力（弯矩 、剪力）增 大 1.8 , 1.5 , 1.25 d、梁构件剪力调整 本例中 ，第三层框支托梁地震剪力的调整系数如下 a、 1.15； b、 X向 1.0， Y向 1.0； c、 1.5(一级抗震 ) ； d、剪力调整 1.3 。 第 31梁剪力标准值 （右端剪力 ） N-B = 31 (Node-i= 643, Node-j= 644) DL= 2.799(m) ( 1) 63.6 -74.9 -49.5 0.0 5.4 0.0 0.0 0.0 ( 2) -9.4 14.5 8.5 0.0 -1.1 0.0 0.0 0.0 ( 3) 35.8 -42.9 -28.1 0.0 2.7 0.0 0.0 0.0 ( 4) -5.7 8.6 5.1 0.0 -0.6 0.0 0.0 0.0 ( 5)570.1 475.0 376.2 273.9 167.9 58.2 -55.0 -171.9 -292.4 0.0 -266.6 -277.0 -287.4 -297.8 -308.1 -318.5 -328.9 -339.3 -349.7 25.0 ( 6)113.0 92.7 71.9 50.5 28.5 6.0 -17.1 -40.7 -64.9 0.0 -57.1 -58.7 -60.4 - 62.0 -63.6 -65.2 -66.8 -68.4 -70.0 4.7 剪力设计值 、配箍 Shear -509. -522. -536. -549. -562. -576. -589. -603. -616. Load ( 28) ( 28) ( 28) ( 28) ( 28) ( 28) ( 28) ( 28) ( 28) Case Asv 280. 280. 280. 280. 280. 280. 280. 280. 280. Rsv 0.80 0.80 0.80 0.80 0.80 0.80 0.80 0.80 0.80 梁右端剪力设计值计算式（第 28工况 ） 1.2*(-349.7)+0.6*(-70.)+(0.28*(-28.1)+ 1.3*(-49.5)* 1.15 * 1.5 ) * 1.3 = -616.17 薄弱层增大 托梁地震内力增大 梁剪力调整系数 第39梁标准内力（右端弯矩 ） N-B = 39 (Node-i= 470, Node-j= 471) DL= 2.950(m) ( 1) -11.3 -152.7 -48.6 0.0 -1.4 0.0 0.0 0.0 ( 2) 11.8 16.2 2.8 0.0 3.2 0.0 0.0 0.0 ( 3) -4.7 -83.7 -26.8 0.0 -0.4 0.0 0.0 0.0 ( 4) 5.6 9.2 1.2 0.0 1.5 0.0 0.0 0.0 ( 5) -73.2 -8.9 51.6 108.3 161.2 210.3 255.6 297.1 334.8 0.0 179.5 169.2 158.9 148.6 138.3 128.0 117.7 107.4 97.1 3.2 ( 6) -10.5 -1.2 7.5 15.7 23.3 30.3 36.8 42.7 48.0 0.0 26.0 24.5 22.9 21.4 19.8 18.3 16.7 15.2 13.6 0.5 弯矩设计值 、配筋 N-B= 39 (I= 470, J= 471)( 1)B*H(mm)= 350* 1150 Lb= 2.95 Cover= 30 Nf= 1 -I- -1- -2- -3- -4- -5- -6- -7- -J- +M 0. 60. 178. 293. 404. 509. 610. 706. 796. (kNm) Load ( 0) ( 37) ( 29) ( 29) ( 29) ( 29) ( 29) ( 29) ( 29) Case Btm 1690. 1373. 1373. 1373. 1373. 1415. 1695. 1961. 2213. Ast % Steel 0.42 0.34 0.34 0.34 0.34 0.35 0.42 0.49 0.55 梁右端弯矩设计值计算式 1.2*(334.8)+0.6*(48.0)-0.28*(-83.7) - 1.3*(-152.7)* 1.15 * 1.5 = 796.42 剪力墙设计内力调整工程例 工程例:DM_PS， 36层 ，转换层结构。 底6层框支 ，设防烈度 7度 ，二类场地土 。 结构总高 114.1m,满足 B类高度 （ 120m） 。 底部加强区，底下 8层 ，剪力墙抗震等级 特一级 。 第 7墙板，第 28工况， 1-6层设计弯矩 。 第 7墙板，第 40工况， 1-6层设计弯矩 。 位于底部加强部位内的非落地剪力墙的 内力调整，取非加强部位剪力墙调整系 数进行放大。 在底部加强部位内，墙体不连续，上层 墙体找不到底部墙体弯矩设 计值，取非 加强部位剪力墙调整系数进行放大。 四、转换结构的二次分析 4.1 高精度平面有限元分析FEQ lFEQ主要针对框支剪力墙结构中框支榀 的二次分析，当次梁承托剪力墙时，不 能用FEQ分析。所以应注意以下几点： l（1） 只能分析主梁承托的框支榀； l（2） 在截取计算榀时，最好全轴线截 取，以减少与整体分析时的误差； l（3） 在截取层数时，只能截取框支层上部 不超过4层。因为在整体分析时，框支托梁的 竖向刚度要远小于落地墙的轴向刚度，竖向荷 载按刚度分配后，使托梁承担的荷载远小于托 梁上部的总荷载，所以取转换梁上部3-4层，计 算得到的托梁的内力才有参考价值； l（4） 转换层结构的整体分析，应选用墙元 、壳元模型（SATWE），这样FEQ在传递荷载 时更为准确