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1 概述

随着我国经济的持续快速发展,高层建筑一般上部需要较多的墙体来分隔空间以满足住宅户型的需要;而下部则希望有较大的自由灵活空间,大柱网、少墙体,以满足公共使用要求。这样的建筑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,为了满足建筑要求就必须在上下不同结构体系转换的楼层设置转换层,在结构转换层布置转换结构构件。

转换层结构形式有以下几种:梁式转换层、板式转换层、箱式转换层、桁架式转换层、空腹桁架式转换层等。

2 工程概况

日照某住宅小区工程,总建筑面积123 792 m2,本文涉及本工程3号楼主体结构地上10层,建筑面积4 500 m2,地下1层,-1层为设备用房,1层,2层为商业网点,3层以上为住宅,建筑高度为32.35 m,本工程2层转换,采用梁式转换。

工程设防烈度为7度,0.10g,场地类别为Ⅱ类,设计地震分组为第一组。框支部分的抗震等级为二级,基本风压值为0.40 kN/m2,地面粗糙度为 B类。本工程梁板柱混凝土等级为 C30,采用PKPM的SATWE进行结构整体计算。

3 结构布置

带转换层高层建筑结构由于上、下层竖向构件不连续,结构竖向刚度发生变化,转换层上下楼层构件内力、位移容易发生突变,对抗震不利,形成薄弱层、软弱层(《建筑抗震设计规范》第3.4.2条,以下简称《抗规》)。故采用转换层结构设计时应遵循以下原则:

尽可能减少需结构转换的竖向构件,直接落地的竖向构件越多,转换结构越少,转换层造成的刚度突变就越小,对结构抗震更有利。故在本工程中,楼梯间、电梯间等Ⓓ轴线北侧及南侧横墙剪力墙直接落地,并且墙厚加大为300 mm(转换层以上墙厚为200 mm),转换层板厚取180 mm,为地下室顶嵌固端,Ⓓ轴线南侧框支柱的截面尺寸为600×600,因建筑需要增加商业网点,南侧又新增一跨框架,如图1所示。转换梁的跨度为6.9 m,截面尺寸取550×1 300,计算振型个数为24个。

转换层结构在高层建筑竖向的位置宜低不宜高,根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(以下简称《高规》)规定,底部大空间部分框支剪力墙高层建筑结构在地面以上的大空间层数,8度时不宜超过3层,7度时不宜超过5层,6度时其层数可以适当增加,本工程转换层位置位于2层顶,在规范允许范围内。

4 计算结果

4.1 刚度比

根据《高规》第5.1.14条规定,经计算,X,Y方向本层塔侧移刚度与上一层相应塔侧移刚度70%的比值或上三层平均侧移刚度80%的比值中之较小者结果为Ratx1=1.239 0,Raty1=1.577 0,符合规范要求。

根据《高规》附录E的规定,转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比宜接近1,不应大于1.3。根据SATWE结果,3层的X向刚度比为1.06,Y向刚度比为1.12,符合规范要求。

4.2 周期比

平动第一周期T1=0.875 0,扭转第一周期T2=0.762 2,T2/T1=0.87,符合《高规》4.3.5条周期比的规定。

4.3 位移比

最大位移比为1.19,符合《高规》4.3.5条规定;框支层最大位移角为1/1 858,符合《高规》4.6.3条规定。

4.4 结构的稳定性验算

X向刚重比EJd/GH2=13.21,Y向刚重比EJd/GH2=12.71。

该结构刚重比EJd/GH2＞1.4,能够通过《高规》第5.4.4条的整体稳定验算。

该结构刚重比EJd/GH2＞2.7,可以不考虑重力二阶效应。

5 构造加强措施

因为框支梁的受力很大且受力情况复杂,它不但是上下层荷载的传输枢纽,而且是保证框支剪力墙抗震性能的关键部位,起到承上启下的作用,是一个复杂的受力构件,故设计时应设有较多富余储备。

从受力角度上来看,在竖向荷载作用下,框支剪力墙转换层以上的墙体有拱效应,两支座处竖向应力大,同时有水平向应力(推力),中间会出现拉力,框支梁在竖向荷载作用下除了有弯矩、剪力外,还有轴向拉力,从正截面承载力按偏心受拉计算,斜截面承载力按拉剪计算,《高规》10.2.8第二条规定,偏心受拉的框支梁,其支座上部纵向钢筋至少应有50%沿梁全长贯通,下部纵向钢筋应全部直通到柱内。

在设计过程中,假定剪力墙平面外抗弯刚度为零或很小,框支梁与框支柱或梁上墙体的截面中心宜重合,此时,可将该片框支剪力墙按平面结构进行有限元计算分析,计算模型与结构实际受力状态基本一致,计算结果是正确可靠的。若框支梁与框支柱或梁上墙体截面中心不重合,偏心距较大,则框支梁的扭矩不可忽视,如仍按上述平面结构计算,又未采取合理可靠的构造措施,会出现遗漏荷载,存在安全隐患,甚至有可能导致该框支梁的剪力和扭矩作用截面的剪压比远大于计算限值,使梁受剪破坏,此时应考虑偏心所产生的扭矩,或按空间结构进行有限元计算分析,并应采取合理可靠的措施,如在其平面外增设次梁以平衡平面外弯矩,加大转换梁截面尺寸或配置抗扭钢筋等。

6 结语

1)转换层中的转换梁梁高一般较大,直接影响下一层的使用层高,为了满足建筑要求不得不加大层高,所以要加厚转换层落地剪力墙,一方面满足剪力墙的刚度和稳定性;另一方面加大转换层刚度,减小刚度突变。2)转换层首先需要选择一个合理的结构传力体系,除计算要求外,还应重视概念和构造设计。3)利用两个以上的计算软件进行分析核算,采用切实有效的措施,必要时,建议留有一定的富余储备,保证结构安全与稳定。

[1]JGJ 3-2002,高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[2]GB 50011-2001,建筑抗震设计规范[S].

[3]陈 颢.浅谈高层建筑结构转换层[J].山西建筑,2008,34(6):92-93.