【高层建筑转换层结构的研究现状及发展方向.doc

四川建筑科学研究SichuanBuildingScience第36卷第2期2010年4月收稿日期2008-08-18作者简介沈朝勇1972男湖北石首人副研究员主要从事抗震及隔震研究。E高层建筑转换层结构的研究现状及发展方向沈朝勇罗学海黄襄云陈建秋金建敏广州大学工程抗震研究中心广东广州510405摘要较系统地阐述了高层建筑转换层结构常用形式总结了梁式转换、桁架式转换及其他转换结构的研究现状并探讨了转换结构的未来发展方向。关键词高层建筑转换层研究现状发展方向中图分类号TU241.8文献标识码A文章编号1008193320100202005Thecurrentresearchsituationsanddevelopmentoftransferstructureinhigh-risebuildingsSHENChaoyongLUOXuehaiHUANGXiangyunCHENJianqiuJINJianminEarthquakeEngineeringResearchTestCenterGuangzhouUniversityGuangzhou510405ChinaAbstractSomekindsoftransferstructureoftenusedinhighbuildingisexpoundedsomeresearchresultsontransferbeamtransfergirderandtransferplateatpresentarealsoelaboratedthedevelopingdirectionoftransferstructureisdiscussedinthispaper.Keywordshighbuildingtransferstructureresearchresultsatpresentdevelopingdirection0引言为满足人们特殊建筑功能的需要在同一座建筑中上部楼层往往布置成小开间旅馆、住宅中部楼层需中等大小空间作为办公用房下部楼层需尽可能大室内空间来作商店、餐馆和文化娱乐设施这种不同用途的楼层需要大小不同的结构形式上部常采用较多墙体的剪力墙结构中部采用部分柱、部分剪力墙结构而下部常采用大柱网结构。为了实现这种结构布置就必须在结构转换的楼层设置水平转换构件即转换层结构。为满足人们对建筑功能的更高要求尤其是在现代大中城市用地日益紧张的今天发展该类特殊结构必将成为今后高层建筑发展的一大趋势。1高层建筑转换层形式从转换层的转换功能来看可分为以下几种1上、下层结构形式的转换如上部剪力墙结构转换为下部框架柱结构2上、下层结构轴网的转换如上、下轴网不重合3上、下层结构形式和结构轴网的同时转换。从转换层的结构形式来看可分为以下几种1梁式转换梁式转换具有传力路径清晰快捷、工作可靠、构造简单、施工方便等优点是目前国内应用最广的转换层结构形式占总数的85以上。2桁架转换当底部大空间楼层柱距较大时转换梁高度常达到楼层的整个高度而又不能开洞因而该层无法利用采用桁架式转换可解决这一问题。桁架转换具有传力明确、传力途径清楚但构造和施工复杂特别是节点处的设计和施工。3板式转换当上部剪力墙布置复杂上、下轴线错位较多用转换梁结构难以直接承托时需采用厚板式转换结构。板式转换结构具有上部墙体及下部柱网可灵活布置不受结构轴网限制等特点。它的不利之处在于结构构件超大、自重大、结构层间刚度大、材料消耗大、工程造价较多等。4箱形转换当转换层上、下板厚较大与中间托梁一起共同工作时形成箱形转换结构。箱形转换层可用于上、下层结构形式转换、柱网尺寸扩大及轴线错位等。5斜柱转换当上层结构在下层两柱之间增加一根柱时可采用斜柱转换外加环梁的转换方式采用此转换可避免采用耗材较大的梁式、板式转换而且方便管道的通过当转换层为结构避难层。6巨型结构转换巨型结构体系又称超级结构体系是由巨型的构02件组成的简单而巨型的桁架或框架等结构作为高层建筑的主体结构与其他结构构件组成的次结构共同工作从而获得更大的灵活性和更高的效能特别是在次结构的顶层可设成整层无柱空间。7其他结构形式转换如美国IBM大厦的拱式转换将上部密排柱通过拱的作用传递到下部大柱中。2梁式转换层的研究现状由于梁式转换层在实际工程中运用最广泛关于该方面的研究文献也最多。从梁式转换层的结构材料来分可分为钢筋混凝土梁转换的研究、型钢混凝土梁转换研究、预应力钢筋混凝土梁转换的研究从整体和局部来分可分为单根转换梁的研究、含转换层的高层和超高层整体研究从转换梁所支撑构件不同可分为框支墙转换梁的研究、框支柱转换梁的研究。鉴于型钢混凝土梁转换研究、预应力钢筋混凝土梁转换研究不是很多本文主要就钢筋混凝土转换梁的研究现状加以阐述。2.1单根钢筋混凝土转换梁力学性能的研究钢筋混凝土转换梁的设计一般由抗剪控制熊进刚在2001年对连续跨钢筋混凝土短梁进行了静力抗剪试验研究根据试验结果给出了钢筋混凝土转换短梁跨高比为12.5的抗剪承载能力的建议计算公式1。翁大根2004年对一实际工程的转换大梁斜裂缝产生的原因进行了计算分析研究对转换梁采用有限元法进行了弹性、弹塑性分析得出了由于转换梁上所托柱上荷载过大引起相当大的剪力从而导致斜裂缝的产生建议使用钢构件、预应力。2.2转换梁及上部框支墙开洞研究由于建筑功能和设备要求转换梁所支撑的墙体往往需要开门洞或窗洞有时转换梁因管道通过需要开孔洞开洞对结构构件来讲肯定会削弱其强度娄宇对一榀1/4比例的钢筋混凝土上部开洞剪力墙转换大梁结构模型进行了试验研究2。试验后发现门洞的削弱使梁受荷增多门洞的存在使小墙肢及其上过梁成为薄弱部位门洞特别是支座处处梁受剪力大该部位成为转换梁的薄弱部位。赵兰子研究了在转换梁和上部墙体同时开洞对其受力性能的影响3。试验后发现其极限承载力以转换梁和框支墙洞口均居中布置时的试件承载力最大即洞口布置最合理转换梁和框支墙洞口交错布置时最小而且其极限承载力大为降低。陈进采用有限元对竖向荷载作用下单跨转换梁上部墙体不同洞口位置不开洞开边洞开中洞的框支转换梁进行了受力分析4。分析后发现不开洞与跨中开洞相比跨中梁底、梁端支座截面顶面正拉应力均较不开洞的大此外在剪力墙开洞处梁顶面剪应力有突变开边洞与开中洞与不开洞相比梁端支承处下底面局部压应力大幅增加1020梁端下底面支承处剪应力增加2025从转换梁跨截面中和轴位置来看不开洞位置最高开边洞其次开中洞最低从而总结出开边洞梁端局部压应力最大最不利其原因在于由于洞口的存在使竖向荷载向两侧分流使梁端局压增大。2.3钢筋混凝土转换梁抗扭性能研究当上部墙体相对转换梁有偏心或转换梁承托的上部各墙肢不在同一平面内等情况这时转换梁将出现扭转受力的问题。任卫教采用空间三维实体有限元程序SUPER91对楼板位于转换梁不同位置的情况进行了大量的计算分析5。分析后发现在偏心荷载作用下转换梁的扭转效应因楼板相对转换梁截面位置的不同而不同。当楼板处在梁截面的顶部时梁的扭转效应最小当楼板处在梁截面的中部时梁的扭转效应最为不利当楼板处在梁截面的底部时梁的扭转效应介于前两者之间。彭伙水认为使转换梁产生扭矩的原因在于梁作为其他次梁的支承和梁上偏心荷载的作用研究了楼板厚度、次梁、楼板不同位置、考虑次梁上部墙体共同作用等4个方面对转换梁抗扭的影响。徐重人对3种不同偏心转换梁进行了有限元分析6。分析后认为当转换梁承受较大扭矩时可在转换梁垂直方向加设抗扭梁和加强转换梁周边楼板以提高其抗扭能力。2.4钢筋混凝土转换梁的竖向设置位置及上、下刚度比对整体结构抗震性能的影响转换层在竖向高度的不同位置及转换层上、下刚度比的不同对整体结构抗震性能是有影响的。张兰英选用一18层的商住楼进行了弹塑性动力时程分析7研究了转换层的设置位置、转换层以下和以上结构的刚度、刚度比、层屈服强度等因素对建筑物的抗震性能包括周期、相对位移包络、层间侧移包络、层间侧移角包络、层剪力的影响。黄勤勇通过改变落地剪力墙厚度来改变转换层上、下刚度比研究了它对框支剪力墙结构抗震性能的影响8。分析后发现增加转换层下落地剪力墙的厚度可减小层间侧移在转换层处的突变但落地剪力墙数量过多时不但影响建筑的平面布置和使用增大地震作用而且有可能使框支柱承担的地震剪力过小。王森对高位转换层结构的抗震性能进行了计算分析研究9。分析后发现1当转换层位置由首层向上移至第9层总共32层结构自振周期和振型略有一些量的改变没有质变2由于转换层的质122010No.2沈朝勇等高层建筑转换层结构的研究现状及发展方向量远大于其他楼层导致不同振型时层地震作用在转换层处突然增大尤以转换层位置在振型曲线振幅最大处或附近时更为显著3当转换层位置由首层逐渐移至第9层时首层的总地震剪力和总地震弯矩、转换层以下剪力和弯矩均将增大。建议当转换层逐步上移时转换层以下各楼层的竖向构件截面及配筋应适当加强。徐培福采用三维有限元程序对一幢高121.5m的高层建筑在不同层次设有结构转换层的情况进行了空间分析详细论述了转换层设置高度的提高对框支剪力墙结构抗震性能的不利影响10。当转换层位于3层及3层以下时层间位移角未发生突变当转换层位于3层以上时层间位移角发生突变因此对高位转换不仅应控制转换层上下的层剪切刚度比还应控制转换层上、下部的等效刚度比使上、下部刚度、变形特征接近以避免转换层附近出现刚度突变。耿娜娜分析了带转换层筒体结构在转换层附近发生刚度和剪力突变的主要因素11转换层上部外筒的刚度和转换层设置高度并提出在抗震设计中应限制转换层上、下结构等效刚度比的概念文中建议re取值为1.3。2.5钢筋混凝土转换梁与框支剪力墙共同工作研究娄宇采用有限元法研究了在竖向荷载作用下上部墙体刚度、上部墙体翼缘、框支柱刚度等对转换梁受力的影响12。在荷载和其他参数不变的情况下转换梁的剪力、弯矩都随着梁高的增加而增大上部墙体厚度增加转换梁的受力大大降低对于梁上托柱可采用增加上部框架梁刚度来降低转换梁的荷载当上部剪力墙考虑翼墙的作用时转换梁的内力减小。魏琏采用有限元方法对转换梁上支承不同长度的墙体进行竖向荷载、竖向荷载加水平荷载的分析研究13。当转换梁上满布墙体时从水平应力分布来看上部墙体参与了抗弯从剪应力分布来看上部墙体两端参与了抗剪从竖向压应力的分布来看上部墙体大部分压应力较小但在转换梁端框支柱上方墙体处墙体竖向压应力很大呈现明显的应力集中拱作用所致当3/4墙体支承在转换梁上时墙体一端与框支柱外边缘平齐墙体与转换梁共同受弯左端与框支柱平齐端墙体梁端上部剪应力最大空梁端剪力由梁单独承担当非满跨墙体墙长取4/10梁跨位于跨中时从正应力分布图来看墙体正应力较小共同作用小从剪应力分布图来看最大剪应力出现在无墙段转换梁中从竖向正应力分布图来看墙体全部受压下部两端应力集中明显。提出了转换梁墙脚处局部承压计算公式。J.S.Kuang采用Sap2000有限元程序对带满跨墙体的转换梁结构在竖向荷载作用下水平正应力、剪应力、竖向压应力的分布进行了分析研究14。分析认为对满布墙体的转换梁结构上部墙体与转换梁共同作用明显。以L/Lbhc/L为变量给出了转换梁上部满布墙体时转换梁轴力及弯矩的计算表格考虑了转换梁与上部墙体的共同工作。2.6带转换层高层结构振动台试验研究目前关于带转换层高层结构模型振动台试验方面的研究国内已有较多文献但大部分是针对具体实际结构的试验国外已有关于此方面的研究性试验。LeeH-S和KoD-W等人对一底部框架上部剪力墙结构112模型进行了振动台试验研究15。试验研究发现底部框架层在地震作用下的水平变形包含有剪切变形和因倾覆产生的弯曲变形试验得到因倾覆所产生的柱轴力与UBC-97计算所得到的结果吻合较好底部框架柱抗剪能力与柱承担的轴力有关。HosoyaH.等人采用两个117的11层带转换层高层结构模型进行了振动台试验16。一个模型采用单方向输入另一个采用双向输入前者出现转换梁的弯曲破坏后者呈现转换梁与上部墙体的共同弯曲破坏。转换梁的理论计算抗剪强度与单向输入的试验结果吻合较好。HanSeonLee等人采用了振动台试验对3个带转换层高层结构模型动力特性和动力反应进行了研究17。试验研究发现1该类结构周期与UBC97和AIK2000规范给出的经验值接近23个模型在破坏阶段所吸收的能量接近3转换层上部结构会产生相对底框的转动自重产生的抗倾覆力矩占总量的23。2.7钢筋混凝土转换结构其他方面的研究吴绮芸对一正交转换梁与空腹桁架式转换梁共同形成多次转换的空间转换体系进行了在竖向荷载与水平荷载作用下的试验和计算分析研究18。陈建敏对带框支剪力墙钢筋混凝土转换梁计算单元的选取进行了分析研究。采用平面单元与采用块状单元分析结果接近采用块状平面单元的转换梁梁端弯矩比杆单元计算结果减小43跨中弯矩相差不大跨中拉力增加50采用块面单元的跨中挠度比杆单元下降56在设计时建议采用块状单元或面单元分析。3桁架式转换层的研究现状采用梁式转换层时梁的截面可能很大如转换层为设备管道层可能影响管道的通过采用桁架式转换可有效解决此问题。近几年国内有关桁架式转换层的研究开展较多的有东南大学、同济大学等单位。唐兴荣对一榀110比例带预应力混凝土桁架22四川建筑科学研究第36卷转换层结构进行了拟动力试验和低周反复荷载作用下的拟静力试验19对此类带转换层结构设计的建议为强转换层及下层弱化转换层上层桁架转换层按“强斜腹杆、强节点”的原则桁架转换层上部框架结构按“强柱弱梁、强边柱弱中柱”的原则。戴国亮、傅传国等人以实际工程为背景设计了两榀18缩尺的大跨度叠层空腹桁架转换结构模型。其中一榀模型为普通钢筋混凝土结构另一榀模型在底部转换梁施加了预应力并在底部转换梁及部分杆件采用了钢骨混凝土。研究了两榀模型在竖向加载及拟动力水平加载下的受力性能、抗震性能和破坏机理并就两榀转换结构模型的受力与抗震性能进行了对比分析。试验结果表明该种转换结构不论在竖向还是水平地震作用下其整体工作性能良好具有足够的竖向承载力可以实现延性破坏模式采用部分钢骨混凝土的模型抗震性能更为优越在底部转换梁中施加了预应力的模型可以有效改善转换结构的刚度和抗裂性能。张誉结合一实际工程对高层梁式和空腹桁架式转换层结构进行了试验研究对比分析了两种形式转换层在竖向荷载和水平往复荷载作用下的破坏形态、承载力、位移、耗能能力、滞回特性等。研究结果表明空腹桁架式转换层结构的性能如延性优于梁式转换层。其原因在于空腹桁架结构系高次超静定结构可进行塑性内力重分布加之桁架各杆件的变形较大裂缝开展较多也在一定程度上提高了它的耗能能力。4板式转换层的研究现状当上部剪力墙布置复杂上、下轴线错位较多用转换梁结构难以直接承托时需采用厚板式转换结构。由于板式转换质量大刚度突变较梁式转换、桁架式转换更突出地震作用时地震剪力突变更严重。我国规范只?樵诜强拐鹕杓坪?度抗震设计时转换构件采用厚板78度区抗震设计的地下室的转换构件可采用厚板。目前在我国应用厚板转换较多的是香港地区。丁建南20采用振型分解法计算得到的X向、Y向地震剪力沿高度分布图中得出地震剪力在转换层处突变非常厉害另外从模型振动台试验结果来看结构的薄弱部位在转换层的上、下几层和结构的顶层试验还表明板内不仅受弯剪而且受冲切板内应三向配筋。王平山21等人在1998年采用有限元法对转换层厚板的板厚、材料强度、局部板厚减薄处理、改变下部柱网尺寸与设置板的悬挑等诸多影响转换层厚板内力的因素作系统的分析研究。分析后发现1厚板转换层的位移、内力分布严重不均匀2厚板材料强度的变化对其竖向位移及内力影响较小厚板材料强度由强度计算控制3在受荷较小区域的厚板上作局部减薄处理可减小竖向位移的不均匀分布。冯云等人在2002年就局部弯曲分别从弹性和塑性理论两个方面进行了内力分析并提出相应的简化计算。J.S.KUANG采用有限元法在2003年研究了转换板与上部墙体的共同作用。当转换板上部带满跨墙体时应考虑转换板与上部墙体的共同作用有效共同作用墙体高度为转换板的跨度L在有效相互作用区域内剪力墙会产生明显的应力重分布。目前对斜柱转换、箱形转换、巨型桁架在实际工程中应用还不多其相关的文献相对前面几种转换层结构而言也比较少本文在此不再详述。5转换层结构的发展方向随着人们对建筑功能要求的越来越高在同一个高层建筑中可能不只一个转换层结构而是2个或者3个。对多个转换层采取的转换层结构形式可能会不一样即所谓的“多重转换结构”由于不同功能的要求不仅存在多个转换层而且每个转换层的平面面积、平面位置也可能不一样即所谓的“错位转换结构”人们为追求建筑物美观希望建筑外形伟岸、挺拔转换层上部与下部平面面积不一样当转换层上部面积大于下部面积时转换结构需向外悬挑形成“悬挑转换结构”为节省用地和多个楼层段大空间的需要建筑师们会在每个部分楼层由结构内筒向外伸出大悬臂由大悬臂来吊住下面的楼层而将底层空间腾空出来形成“悬挑转换结构”随着高层建筑的总体高度的升高转换层的位置可能会进一步向上移动形成“超高位转换结构”等。随着社会的发展人们对建筑美观、建筑功能的要求越来越高同时城市用地也会越来越紧张传统的转换层结构已不能满足上述要求有必要开展上述特殊转换层结构形式的研究。目前关于转换层结构的理论研究和静力试验研究相对较多而对于带转换层高层结构的动力试验还比较少特别是针对上述几种特殊的转换结构形式的抗震性能试验研究还不多见。对于带转换层高层结构的研究目前以传统抗震为主目前控制技术特别是被动控制技术在建筑中应用已比较成熟如何将控制技术与转换层结构结合在一起有效减轻因转换层刚度突变而引起的结构受力的巨变防止或减小其在地震中的破坏也是一个值得研究的问题同时控制带转换层高层结构的扭转反应及“减扭”不啻为另一个值得研究的问题。322010No.2沈朝勇等高层建筑转换层结构的研究现状及发展方向参考文献1熊进刚程文瀼李爱群吴晓莉.高层建筑转换层中混凝土连续短梁受力性能的试验研究J.建筑技术2001325314-315.XiONGJin-gangCHENWen-rangLIAi-qunWUXiao-li.Ex-perimentalresearchonmechanicspropertiesofcontinuousshortconcretebeamintransferfloorofhigh-risebuildingJArchitec-tureTechnology2001325314-315.2娄宇丁大钧魏琏.上部开洞剪力墙转换大梁结构的试验研究J.东南大学学报1996266B115-120.LOUYuD