托柱转换梁、转换柱的性能化分析

托柱转换梁、转换柱的性能化分析摘要：高康国际医疗城医疗综合楼项目，为保证城市客厅的建筑效果，对塔楼两根边桩在第四层进行了托梁转换，该处柱子对于整个塔楼安全性至关重要，所以在对整个项目的抗震超限审查时对该处托柱转换梁进行了中震弹性的分析。关键词：超限高层建筑；托柱转换梁；中震弹性1、工程概况天府新区高康国际医疗城项目2019（TR）-37#地块项目位于眉山市仁寿县视高镇天府大道西侧，其中5#楼医疗综合楼，床位数为501床，建筑面积66341.68皿，其中地上建筑面积47480.73皿，地下建筑面积18860.95皿。5#医疗综合楼地上共14层（其中裙房5层），地下共1层。5#医疗综合楼采用结构缝将塔楼与裙房分为两个单体，塔楼地上14层，地下1层，嵌固在地下室顶板。建筑类别为乙类，建筑高度70.2m，结构形式为框架-剪力墙结构。根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2015）、《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）（2016年版）的划分，拟建工程场地所在位置位于抗震设防烈度7度区，50年超越概率10%的地震动峰值加速度为0.10g，地震动反应谱特征周期0.45s，设计地震分组为第三组。抗震等级为框架一级，剪力墙一级。拟建项目场地±0.00标高为484.60〜485.00m，拟建物基底埋深为-6.80〜-7.20m。根据本次勘察成果资料，场地内的地层由杂填土、素填土、粉质黏土、泥岩和砂岩组成。在地貌单元上属丘陵地貌，无构造断裂，在眉山市仁寿县视高镇内未发生过破坏性的地震灾害，地壳稳定，同时根据地质调查及钻探表明，拟建场地稍有起伏，无断裂、溶洞、采空区等不良地质作用，故场地稳定性良好，适宜建筑。根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）（2016年版），结合本次勘察揭露的地层情况，场地内土层的等效剪切波速值为216m/s，本场地覆盖层厚度为9.6〜12.8m，综合分析，本场地土属软弱土〜软质岩石（场地内杂填土、

素填土、软塑粉质黏土为软弱土，全风化泥岩为中软土，强风化泥岩为中硬土，中等风化泥岩、中等风化砂岩为软质岩石），可判定该建筑场地类别为II类，为对建筑抗震的一般地段。图2：标准层平面图图2：标准层平面图2、设计目标根据住房城乡建设部关于《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》的通知（建质〔2015〕67号）、四川省住房和城乡建设厅《四川省抗震设防超限高层建筑工程界定标准》（DB51/T5058-2014）文件的要求，本工程存在的超限情况共三项，具体如下：最大扭转位移比为1.29（风荷载），属于扭转不规则；平面凹凸不规则；四层设置转换柱，属于构件间断。综合判断本工程属于特别不规则的A级高度超限高层建筑。根据本工程的超限情况、与初步设计评审专家的意见，选定本工程的抗震性能目标为《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010中的C级目标，即：多遇地震下满足性能水准1要求；设防烈度地震下满足性能水准3要求；预估的罕遇地震下满足性能水准4要求。为确保抗震性能目标的实现，本工程分别采用不同的软件进行小震、中震、大震作用下结构性能的分析，主要分析内容和方法如下：2.1小震分析1）应用YJK和MIDASBuilding结构分析软件分别对结构分析，对比结构的振型、周期和质量等，以验证两个软件结构计算结果的一致性和准确性。2）取7条地震波，比较该地震波的反应谱与规范谱的关系。2.2中震分析1）采用YJK软件进行中震不屈服和中震弹性计算，复核各类构件是否达到性能目标C在中震作用下对构件性能水准的要求。分析时地震反应谱参数根据抗震规范输入。2.3大震分析采用SAUSAGE软件进行大震作用下的结构动力弹塑性时程分析，分析结构在大震作用下的变形形件塑性及损伤情况、以及结构整体弹塑性性能；验证“大震不倒”设防水准；分析结构关键部位、关键构件的变形形态和破坏情况。判断主要抗侧力构件是否实现预定的性能目标水准，找到结构薄弱层和薄弱部位，对结构设计提出改进意见和建议。1.转换框架梁、转换框架柱中震弹性承载力复核及增加冗余度设计中震计算时内力计算主要采用弹性反应谱法，计算时考虑以下因素：1）内力组合不考虑风荷载效应；2）连梁刚度折减系数0.7;3）周期折减系数采用1.0;4）不考虑与抗震等级有关的内力调整系数;5）中震弹性计算时按规范考虑材料以及荷载分项系数，中震不屈服计算时材料以及荷载分项系数取1.0；6）阻尼比0.06；将四层平面中的托柱转换梁定义为关键部位框架梁，由于是大跨度转换梁，性能目标适当提升，定为抗弯中震弹性，抗剪中震弹性，下面根据中震计算，提取内力针对该梁进行中震抗弯抗剪弹性复核。表1：四层转换梁中震弹性复核表层楼号编i梁截面（mm）力态受最不利组合内力-4-^计算配筋BH-dA负弯矩(kN.m)正弯矩(kN.m)剪力(kN)面(mm2)底筋(mm2)箍筋(mm2)K12中-40-352ZL14200500震2719769084268500130000FK12中-418352ZL2200500震269871104668900220000根据上表计算可知，转换梁内设置工字型钢，截面为1500x500x20x20，按上表计算配筋，转换梁可满足中震弹性要求。表2：三层KZ1转换柱中震弹性检查楼层编号弯矩弯矩组X(KN.m)Y(KN.m)力X上上下下kN)kN)轴力(kN)0配筋(mm2)箍筋(mm2)C6772421983467844016066924157216HRB400659347150884417959523477小震68800柱配筋率9720219214942634462289159512.70%044960892095772471139623716小震960根据上表计算结果可知，转换柱内设置十字型钢，截面为十1100(500)x1100(500)x20x20,根据小震结果进行配筋，可满足中震弹性要求。为避免刚度突变，型钢向下延伸至基础顶，同时向上延伸两层至裙房顶。根据计算结果，转换梁跨中最大挠度为9.30mm，远小于规范限值60.00mm(L/400)，同时该梁跨中裂缝为0.19mm，小于0.30mm，具有良好的正常使用状态，对其上托混凝土柱影响很小。为保证转换结构的安全性，增加结构的冗余度，在转换梁上部两层即五层及六层同样位置设置截面为700x1000框架梁，使转换框架与上部两层构件近似形成空间结构，增强转换结构承载能力。将KZL2及其上部框架柱、框架梁抽出作为一棉框架，使用PK软件进行慨念验算，结果结构如下图所示。

图3：内力对比从上图中可以看出，在地震作用下，四层转换梁及其上部两层框架梁的弯矩图有了明显的改变，己形成空腹桁架整体体系共同承担上部需转换框架柱的荷载。在保持四层转换梁截面不变的情况下，随着六层梁的梁高增大，上梁承担的弯矩在增大，下梁(转换梁)承担的弯矩在减小，上梁能有效的减小下梁的弯矩。经过反复试算，决定五层、六层框架梁的截面为700x1000。对六层700x1000梁进行中震抗剪、抗弯弹性承载力复核。表3：六层框架梁中震抗剪、抗弯弹性承载力复核表编鬲力梁截受面(mm)剪力负弯矩正弯矩面筋底筋箍筋注!b)hKN)(KN.m)(KN.m)mm/mm2)(mm2)(号状态K震小，12783438233510008000801NL1震00中0002863750299930000600801o

K震小,166026491675400854009NL2震00中00087629911844060061009oK震小，18872705169660055009NL3震00中00073830301797070059009oK震小，112723388222809005009NL4震000129636922812280001000o根据上表计算结果可知，此梁小震工况下配筋不能满足中震承载力要求，设计时五层、六层此布置梁应根据小震弹性及中震抗剪、抗弯弹性计算结果包络值进行配筋。综上分析，转换柱内设置十字型钢，截面为十1100(500)x1100(500)x20x20，根据小震结果进行配筋，可满足中震弹性要求。转换梁内设置工字型钢，截面为1500x500x20x20，配筋应根据小震弹性及中震弹性计算结果包络值进行配筋。转换柱内型钢向下延伸至基础顶，同时向上延伸两层至裙房顶。4、转换框架梁、转换框架柱大震弹性承载力复核及增加冗余度设计大震分析是，内力计算主要采用弹性反应谱法，计算时考虑以下因素:1）内力组合不考虑风荷载效应；2）连梁刚度折减系数0.3;3）周期折减系数采用1.0;4）不考虑与抗震等级有关的内力调整系数；5）材料以及荷载分项系数取1.0，6）阻尼比0.07；表4：四层转换梁大震弹性承载力复核表编力状态梁截面受（mm）-、r4剪力负弯矩正弯矩面筋底筋箍筋bhKN)(KN.m)(KN.m)mm2)(mm2)((mm2)ZL1K震中2005008426271974069085005130020震10831531284953196005130045

震中200500466269874111089005220020震0399482704228223005220040根据上表计算可5知，转换梁内设置工字型钢，截面为1500x500x20x20，按大震弹性计算结果计算配筋，转换梁可满足大震弹性承载力要求。表5：三层转换柱大震弹性承载力复核表柱截面，巨(mm)编剪力X剪力Y轴力弯矩X弯矩YX配筋Y配筋箍筋D(KN)(KN)(KN(KN.m)(KN.m)mm2)(mm2)(mm2)(]Z1(D=18003171.7809.729689.0725.615238.02440011501Z2(D=18002996.05846.128816.822702.612554.6231001150

Z31(D=18003391.25257.831858.622930.015489.720400150Z，1(D=18001576.81253.926473.0686.812664-212664.228400150根据上表计算结果可知，转换柱内设置十字型钢，截面为十1100(500)x1100(500)x20x20,按大震弹性结果配筋，可满足大震弹性承载力要求，同时应与不考虑五层、六层框架梁作用的工况进行包络设计。为保证转换结构的安全性，增加结构的冗余度，在转换梁上部两层即五层及六层同样位置设置截面为700x1000框架梁，使转换框架与上部两层构件近似形成空腹桁架，增强转换结构承载能力。对六层700x1000梁进行大震不屈服承载力复核。表6：六层框架梁大震不屈服复核表编力梁截受面(mm)剪力负弯矩正弯矩面筋底筋箍筋注b)hKN)(KN.m)(KN.m)mm2：“」mm2)'号状态L1K震大700I3663991327637001900701]

震中2863750299930000600801K震大,19793303191416006300201NL2震00中00087629911844060061009oK震大,19873342190817006300201NL3震00中00073830301797070059009oK震大,112283929310635001200801NL4震0001296369228122800010009o根据上表计算结果可知，此梁中震工况下配筋不能满足大震承载力要求，设计时五层、六层梁应按各阶段计算结果包络值进行配筋。综上分析，罕遇地震作用下，转换柱内设置十字型钢，截面为十1100(500)x1100(500)x20x20,并按各工况包络配筋；转换梁按各工况包络配筋能满足抗剪、抗弯不屈服的性能目标。转换梁内设置工字型钢，截面为1500x500x20x20，应根据各工况计算结果包络值进行配筋。转换柱内型钢向下延伸至基础顶，同时向上延伸两层至裙房顶。5、总结转换结构采用了四层设置截面为1200x2500的工字型钢混凝土梁，在五层、六层同样位置设置截面为700x1000的混凝土梁，使四层、五层、六层的梁柱形成空腹桁架体系，共同承担上托混凝土柱。中震作用下，四层转换梁及五层、六层框架梁均按抗剪、抗弯弹性性能目标进行设计；大震作用下五层、六层框架梁按大震不屈服性能目标进行设计，四层转换梁则按大震弹性性能目标进行设计，并且与不考虑五层、六层框架梁作用的工况进行包络设计，其目的为大震作用下，当五层，六层框架梁损坏失效时，四层转换梁依然能提供足够的