热点职称论文：高层建筑之中梁式转换结构的设计的解析__墨水学术

所属栏目：推荐论文发布时间：2011-02-25浏览量:139

副标题#e#        摘要：本文着重介绍了高层建筑中梁式转换结构设计过程中的设计和计算原则，分析了计算时的程序及参数。最后结合工程介绍了梁式转换结构的设计计算要点，对同类工程设计具有参考价值。
        关键词：高层建筑；转换梁；刚度；概念设计
       近年来，随着土木工程技术的发展，超高层、大跨及重载等大型复杂结构工程大量兴建，带转换层的复杂结构已逐渐成为竖向不规则高层建筑中经常采用的一种满足其建筑功能及美学要求的结构布置方式。由于带转换层高层建筑结构中竖向构件传力的不连续性，造成结构上部荷载不能直接传递给下部对应的竖向构件，而是通过转换构件的内力重分配，再向下传递给下部结构的竖向构件，故转换构件相当重要而且受力非常复杂，本文详细介绍高层建筑中梁式转换结构的设计及计算要点。
1、设计原则
1.1概念设计
       结构抗震概念设计是抗震设计中非常重要的一方面。一般应尽量选择简单、规则的平面布置，竖向宜均匀或变化梯度小；对楼盖开洞或连接较弱处要构造加强，必要时采取拉梁或暗梁连接；设计中，构造措施是对抗震设计的必要补充，抗震构造措施主要包括对框支柱、转换梁、落地与不落地剪力墙、转换层板厚的最小截面限值和材料强度等级，以及最小配筋率、配箍率、钢筋最小直径和锚固要求等，应严格按《高规》执行。结构上下布置时，要特别注意不要使两个方向的短肢墙和转换梁支承于框支柱的角部，造成框支柱角部局部受压严重的情形出现，加强框支柱与上部短肢墙纵向钢筋的连接。
   1.2 传力要求
        转换结构中由于竖向构件传力的不连续性，造成结构上部荷载必须通过转换构件的内力重分配才能传递给下部结构的竖向构件，故转换构件相当重要而且受力非常复杂。因此，在布置转换层的竖向构件时，应合理布置底部大开间的柱网，尽量使转换梁直接承托上部剪力墙，减少转换次数，缩短传力路径，避免主次梁的复杂转换形式；
   1.3竖向构件轴压比限值
        应控制结构底部加强区剪力墙及其它部分剪力墙、框支柱及非框柱轴压比。采用转换层后，底部大空间的柱子要承受上部结构的巨大荷载。因柱距受建筑功能制约，柱截面又要满足轴压比和上下层剪切刚度比的要求，所以框支柱极容易形成对抗震不利的短柱。因此，为提高结构的抗震性能，应减小柱截面，可采用型钢混凝土柱。
1.4 高位转换的处理
      随着高层建筑的迅速发展和框支剪力墙结构体系的广泛应用，为满足复杂建筑的需要，转换层设置也来越高，一般设在3-6层，有的工程设在7-10层，甚至更高，即：位转换结构。在设计中应注意哪些问题，这是工程设计人员迫切关注的。涉及安全与经济的问题，须慎重考虑。
2、计算原则
       建立合理的计算模型是结构设计工作的关键。目前在实际工程设计中，带转换层结构的计算分两步进行，即整体结构计算和局部转换结构计算。
2.1整体结构计算分析
       高层建筑结构中，转换层只是其中的一个部分，在进行转换构件内力分析前，必须先对整个结构做整体计算分析。采用符合实际受力变形状态的计算模型，可分别按空间协同工作分析方法和三维空间分析方法进行整体内力与位移计算。目前，带转换层的结构计算时多选用三维空间整体结构计算分析软件，如中国建筑科学研究院编制的TBSA，SATWE等程序。
    整体结构计算需采取两个以上#p#副标题#e#不同力学模型的程序进行抗震计算,还应进行弹性时程分析计算并宜采用弹塑性时程分析校核。
2. 2 局部转换结构计算
       整体计算完毕后，根据上部结构传递给转换层的荷载，对转换构件局部采用平面有限元计算软件进行局部应力的补充计算。计算时，转换结构以上至少要取两层结构进入局部计算模型，并注意模型边界条件符合实际工作状态。此外，进行局部分析时，还应考虑楼层楼盖平面内刚度影响，注意实际结构的三维空间盒子效应，采用符合实际情况的正确计算模型。框支剪力墙的计算较为复杂，上部剪力墙需与下面多根柱相连接，如果连接不当会产生很大的计算误差。空间分析程序是以梁柱为基本单元，而分析底部框支剪力墙时，剪力墙作为柱单元考虑。计算时宜在上部剪力墙肢与下部框支柱之间均设转换梁，墙肢与转换梁相连结；不要只通过拐角刚域连接上层墙肢与底层柱，结构布置时最好上部墙体、转换梁、下层柱分别成一体系，这样传力明确，不易形成扭转。 
2. 3楼板分析
       在整体分析中，转换层楼板采用了“楼板在平面内刚度无限大”的假定，因而得到了所有框支柱和剪力墙的位移相等，水平力按框支柱和落地剪力墙的刚度按比例分配。实际上，转换层楼板要将上部结构的水平剪力传递到底部结构上去，本身承受很大的平面内剪力，同时又承受部分竖向荷载，楼板自身在平面内受力很大，有显著的变形，因此要求楼板要有足够的强度和刚度。
3、工程实例
3. 1工程概况
       某高层商住楼，是集商业、住宅于一体的综合性高层建筑。该工程地下一层，层高4.5m，布置设备用房、地下水池及公共自行车泊位。地上1~2层为商业用房，层高4.5m，3层以上为剪力墙结构住宅，层高为3.0m，为实现这种底部大开间与上部剪力墙之间的转换，在主楼3层设置结构转换层，以传递竖向荷载和水平荷载。室外地坪以上主体高度为77.60m。建筑平面如图1，2所示。
       由于该建筑功能的特殊要求，导致了上部框支剪力墙轴线与底部框支框架错开较多。本项目采用了传力直接明确，传力途径清楚的梁式转换方式，转换层结构平面图如图3所示（为表达清楚，图中忽略转换构件以外的平面图，图中灰色部分为底部框支结构，黑色部分为上部框支剪力墙）。
3.2整体结构计算分析
    为分析主次梁方案的可行性，采用SATWE、PMSAP对该结构进行整体对比计算.抗震等级：框支框架、底部加强区均为一级；风荷载按百年一遇取0.45Kk/m2；地震作用按剪弯刚度计算并考虑扭转耦联，共计算24个振型（图中仅列出前三个振型数据），计算结果见表1。
表1  振型信息 
程序    SATWE    PMSAP
振型    周期(s)    x向
平动系数    y向
平动系数    z向
扭转系数    周期(s)    x向
平动系数    y向
平动系数    z向
扭转系数
1    2.0363    0.01    0.98    0.01    2.122    0.02    0.97    0.01
2    1.8740    0.96    0.02    0.02    1.924    0.97    0.01&#p#副标题#e#nbsp;   0.02
3    1.5075    0.03    0.06    0.91    1.596    0.06    0.04    0.90
由表1可得：结构第一第二振型均为平动振型，第三振型为扭转振型，且结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比均小于0.85，满足规范要求；
  
图1 底部两层建筑平面图                        图2 三层以上建筑平面图
 
图3 结构平面图
表2  整体结构分析控制参数 
程序    SATWE    PMSAP
 
1.7275/2.3363=0.739    1.796/2.322=0.773
转换层刚度比（剪弯刚度）     
 
 
 
最大层间
位移角    Dx/h＝1/1780
Dy/h＝1/1735    Dx/h＝1/1868
Dy/h＝1/1750
最大层间位移与平均层间位移比    Dx/Dave=1.33
Dy/Dave=1.34    Dx/Dave=1.27
Dy/Dave=1.36
由表1可得：1）软件整体计算侧向刚度时给出了三种计算层侧向刚度的方法：a.剪切刚度；b.剪弯刚度；c.地震剪力与地震层间位移的比。按“剪弯刚度计算”时，转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比γe均小于1.3。满足规范要求。2）最大层间位移与平均层间位移比均小于1.4，满足规范要求。
3.3弹性时程分析
弹性时程分析参数：选用天然TH2TG035、人工波RH3TG035及EIcentro波进行计算；地震加速度时程曲线的最大值为35cm/s2，结构阻尼比取5%。时程分析得到的x方向结果如图4所示：
     
a）最大楼层位移曲线               b）最大楼层剪力曲线           c）最大楼层弯矩曲线
图4 弹性时程分析结果
3、计算结果分析：1）振型曲线符合规律；2）最大层间位移角<1/1000；最大层间位移与平均层间位移之比<1.4，均满足规范要求；3）从图4a）可以看出，曲线在转换层处由剪切型过渡到弯曲型，符合变形规律，此外，框支层曲线较上部框支墙平缓，说明底部刚度较上部框支剪力墙略小，与刚度比计算结果符合；4）时程分析的最大位移平均值小于反应谱法计算的位移值，时程分析的最大楼层剪力与弯矩均小于反应谱法的计算值；动力时程反映分析复核结果表明，不需要调整整个楼层构件的内力及配筋。
4、结束语
     梁式转换结构能满足建筑物上、下不同使用功能的要求，但该类结构由于上下刚度突变，竖向构件不连续，属于抗震不利的结构。该类型的结构设计对工程要求甚高。因此，在进行转换层结构分析时，务必明确设计原则及计算原则，要做到概念明确，思路清晰。


参考文献
[1].    唐兴荣.高层建筑转换层结构设计与施工[M].中国建筑工业出版社.2002(1)：27-41
[2].    梁明.带转换层的结构应用中的几个问题[J]. 建筑技术.2005.36(2)：151
[3].    唐兴荣,何若全.高层建筑中转换层结构的现状和发展[J]. 苏州城建环保学院学报.2001.14(3):1~8
[4].    李勇，娄宇，吴寿泉.上海中欣大厦转换层结构设计[J].建筑结构.2000.30(1)：43-46