三层框支剪力墙梁式转换结构计算概要

[摘要]现代高层建筑由于使用功能上要求大空间，往往需要采用转换层结构。本文对转换结构中较为典型的三层框支剪力墙梁式转换结构的计算过程做了较为详细的说明，旨在抛砖引玉，使读者能够对带转换层结构的设计有一个初步的认识。[关键字]三层框支剪力墙;梁式转换结构;结构计算;概要0引言随着我国经济的发展，房屋建筑发展迅速，高层建筑越建越高、越建越大，其建筑向着体型复杂、功能多样的综合性方向发展，现在采用转换层结构已较为普遍。例如，沿街住宅房屋底部设有大空间的商店、汽车库;有的公寓、高层住宅的底部设有局部大空间门厅;宾馆、饭店上部采用钢筋混凝土剪力墙结构底部需要大空间公共用房等。一般而言，当高层建筑下部楼层竖向结构体系或形式与上部楼层差异较大，或者下部楼层竖向结构轴线距离扩大或上、下部轴线错位时，就必须在结构改变的楼层布置转换层结构。梁式转换层结构是目前高层建筑中实现垂直转换最常用的结构形式，由于其传力途径采用墙(柱)→转换梁→柱(墙)的形式，具有传力直接、明确和清楚的优点，便于工程计算、分析和设计，且造价较节省，在实际工程中的应用较广。下面对较为典型的三层框支—剪力墙梁式转换结构的计算过程做较为详细的说明，旨在抛砖引玉，触类旁通。1结构计算设定的条件1.底部大空间为三层框支，以上为剪力墙结构。(注：超过《抗规》两层之规定，但未超过《高规》的有关规定)2.A级高度的高层建筑，H≤80m。3.8度0.2g抗震设防。4.转换结构构件为梁，即梁式转换。5.上部结构嵌固在地下室顶面。2结构设计原则底部大空间剪力墙结构是一种受力复杂、不利抗震的建筑结构，结构设计须遵循以下原则：2.1减少转换2.2传力直接2.3强化下部，弱化上部2.4优化转换结构2.5计算全面准确3整体分析1.确定地下室顶板作为上部结构的嵌固端时，应进行地下一层与一层的刚度比验算。按《高规》第5.3.7条规定，侧向剪切刚度比γ≥2时，可认为上部结构嵌固于地下室顶板。(式中符号含义参《高规》第E.0.1条式)2.按侧向刚度法，采用SATWE程序对结构进行整体分析。计算控制指标如下：(1)周期比：在抗震设计中为使结构具有必要的抗扭刚度，《高规》第3.4.5条“对结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比”进行了限制，带转换层的复杂高层结构，不应大于0.85”。当Tt/T1>0.85时，应调整抗侧力结构的布置，增大结构的抗扭刚度。根据第3.4.5条的条文说明，“当扭转方向因子大于0.5时，则该振型可认为是扭转为主的振型。”(2)位移比：在抗震设计中为避免结构产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应，《高规》第3.4.5条规定“在考虑偶然偏心影响的规定水平地震力作用下，楼层竖向构件最大的水平位移和层间位移，A级高度不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.5倍”。当位移比大于1.2时，根据《抗规》第3.4.3条表3.4.3-1为结构扭转不规则。这时可通过调整结构构件，使结构的位移比小于1.2，形成扭转规则结构。若确实形成扭转不规则结构，计算时应遵守《抗规》第3.4.4条第1款的要求：应采用空间结构计算模型，应计及扭转影响，且楼层竖向构件最大的弹性水平位移和层间位移分别不宜大于楼层两端弹性水平位移和层间弹性位移平均值的1.5倍。(3)水平位移框支层的弹性水平位移(抗震时不考虑偶然偏心的影响)，《高规》第3.7.3条、《抗规》第5.5.1条的限值均为1/1000(Δu/h),是为保证结构在正常使用条件下，高层建筑结构具有足够的刚度，避免产生过大的位移而影响结构的承载力、稳定性和使用要求。(4)剪弯刚度比γe由于结构为三层框支转换，根据《高规》第10.2.3条要求：转换层下部结构与上部结构的侧向刚度比(剪弯刚度)γe2不应小于0.8，计算简图见下图。剪弯刚度比(式中符号含义如《高规》附录E)图1转换层上、下等效侧向刚度计算模型(a)计算模型1——转换层及下部结构;(b)计算模型2——转换层上部部分结构(5)侧向刚度比根据《抗规》表3.4.3-2要求及《高规》第3.5.2条要求，应全面检查层间侧向刚度比，看结构是否竖向不规则，存在薄弱层，以便设计时采取相应措施。各层的侧向刚度为三层转换侧刚比的底限，即转换层侧向刚度不应小于其上相邻一层的60%，否则为特别不规则结构，属超限高层。(6)层间受剪承载力比根据《抗规》第3.4.3条表3.4.3-2，及《高规》第3.5.3条要求，楼层抗侧力结构的层间受剪承载力小于上一楼层的80%时为竖向不规则结构，《高规》规定底限不应小于65%。设计时应检查电算结果中的受剪承载力比。(7)框支柱的内力调整按《高规》第10.2.17条规定，其框支柱承受的水平地震剪力标准值应按下列规定采用：1)每层框支柱的数目不多于10根的场合，当框支层为3层及3层以上时，每根柱所受的剪力应至少取基底剪力的3%。2)每层框支柱数目多于10根的场合，当框支层为3层及3层以上时，每层框支柱承受的剪力之和应至少取基底剪力的30%。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、弯距。《高规》第3.10.4条第2款、第10.2.11条第2款规定，框支柱为特一级，一、二级抗震等级时地震作用产生的轴力应分别乘以增大系数1.8、1.5、1.2，但计算轴压比时不考虑该项增大。SATWE程序内定对框支柱的剪力弯矩作了调整，但对与框支柱相连的框支梁的剪力弯矩则须由设计人员给予调整，程序开放了一个控制开关，允许人为调整框支梁的内力。4整体比较分析《抗规》第3.6.6条第3款规定，对于复杂高层结构应采用不少于两个合适的不同力学模型进行内力和变形的分析，并对其计算结果进行分析比较。本工程为框支-剪力墙的复杂结构，可采用TAT程序(薄壁柱模型)进行比较分析。(注：前面用的SATWE程序为墙元模型)5弹塑性变形分析若结构侧向刚度有突变，具有明显薄弱层(部位)，应进行弹塑性变形分析。根据《抗规》第5.5.3条、《高规》第5.5.2条，可采用弹塑性分析方法对罕遇地震作用下的薄弱层(部位)进行分析。弹塑性分析方法可采用静力弹塑性分析法或弹塑性时程分析法即动力弹塑性分析法等。另外，《高规》第10.2.4条规定，8度抗震设防时跨度大于8m的转换构件尚应考虑竖向地震。竖向地震作用下，可采用反应谱方法或动力时程分析方法计算。根据《高规》第3.7.5条表3.7.5要求，框支层弹塑性层间位移角限值[θp]≤1/120。6局部补充分析根据《高规》第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。了解应力分布情况，并按应力进行配筋校核，宜采用有限元法进行应力分析。根据有关资料，有限元分析时宜取转换结构以上至少两层结构进入局部计算模型。7构件的配筋计算7.1框支梁1.框支梁应按偏心受拉构件进行承载力及变形计算。2.框支梁承托抗震墙并承托转换次梁及其上抗震墙时，应将传递给水平转换构件的地震内力乘以1.25~1.5的增大系数后进行应力分析，按应力校核配筋，并加强配构造措施。7.2框支梁上一层墙体1.框支梁上一层墙体的配筋计算宜按《高规》第10.2.21条第3款进行。2.转换梁及其上部墙体的水平施工缝处宜按《高规》第7.2.12条规定验算