閱讀 2927 次 梁式轉(zhuǎn)換結構設計的幾點心得

梁式轉(zhuǎn)換結構設計的幾點心得

高  馗

(云南省建筑工程設計院   云南昆明  650041)

    近年來高層建筑發(fā)展迅速，建筑唪型復雜、功能多樣，綜合性強，因而相應的結構形式也復雜多樣。在設計中，通常將大柱網(wǎng)的購物商場、餐廳、娛樂設施設于高層建筑的下層部二分，而將較小柱網(wǎng)、較小開間的住宅、工寓、旅館、辦公功能設于中、上層部分，上部結構的部分豎向構件(框架柱、剪力墻)不能直接連續(xù)貫通落地時，就需要設置結構轉(zhuǎn)換層，在結啕轉(zhuǎn)換層布置梁、桁架、箱形結構、孚板等轉(zhuǎn)換構件。此類結構通常稱之為底部大空間剪力墻結構，屬于一種受力復雜且不利于抗震的建筑結構。但由于其良好的社會經(jīng)濟效益仍得到廣泛應用，故設計應合理解決豎向結構的突變性轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)換結構其中以梁式轉(zhuǎn)換層應用最廣，它傳力直接、明確．設計與施工簡單，且造價較為節(jié)省。按采用材料可分為鋼筋混凝土、預應力混凝土、鋼骨混凝土、鋼結構轉(zhuǎn)換梁等。

    以下是某商住樓局部單體的平面，抗震設防烈度為8°，設計基本地震加速度值為0.20g，地面以上底部大空間層數(shù)為4層，在四層樓面設置轉(zhuǎn)換層，以上為8層全剪力墻結構住宅。本工程平面不規(guī)則．凹凸較多，且房間分隔多不在一條軸線上，該地區(qū)又屬于高烈度區(qū),無法采用厚板轉(zhuǎn)換，故采用梁式轉(zhuǎn)換，但不規(guī)則的平面造成了轉(zhuǎn)換層梁杵布置困難。

1.梁式轉(zhuǎn)換層結構選型的方案對比

    1)鋼筋混凝土轉(zhuǎn)換梁傳力直接、明確，設計與施工簡單，且造價較為節(jié)省。但鋼筋混凝土轉(zhuǎn)換梁截面較大，無法抵消剛度增加吸引來的地震力。預應力混凝土或鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁，承載力高，塑性、耐久性、抗震性能均優(yōu)于鋼筋混凝土轉(zhuǎn)換梁，且截面較小，可減少支模，但施工較為繁瑣，由于工程所在地施工條件限制，加之轉(zhuǎn)換層上部層數(shù)不多，沒有使用預應力混凝土或鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁的必要。

    2)因建筑功能要求，在轉(zhuǎn)換層間有大量上部住宅的管道穿行，建筑考慮在轉(zhuǎn)換層上千設置一設備夾層，結構可利用設備夾層設計成箱形轉(zhuǎn)換層。箱形轉(zhuǎn)換層是由上、下層較厚的樓板與單向托梁、雙向托梁其同工作，具有很大的整體空間剛度，平面內(nèi)剛度較單層梁板結構大得多，能夠勝任較大跨度、較大空間、較大荷載的轉(zhuǎn)換，且設計施工簡，受力明確。但管道穿行在轉(zhuǎn)換梁上需要開洞較多，無法避免在離框支柱較近的位置開洞，削弱了框支梁的剛度，并需要采用人量的構造加強鋼筋；加之轉(zhuǎn)換層上部層數(shù)不多，使用剛度巨大的箱形轉(zhuǎn)換層有點小題大做，最后也放棄了這種方案。

    3）扁寬梁在框支柱交叉部分混凝土受到約束，使節(jié)點核芯區(qū)抗剪能力提高，并有效的降低了梁高，使得建筑空間得到了更好的利用，而且計算比較容易通過，8.4m跨度轉(zhuǎn)換梁．,最大截面做到l.4mx1.2m即可。寬扁梁寬出框支柱的部分，采用在梁柱節(jié)點設置柱帽的，進一步強化了梁柱節(jié)點,實現(xiàn)了“強柱弱梁，強剪弱彎，強節(jié)點弱桿件”的抗震理念，保證了寬扁梁縱向受力鋼筋在節(jié)點核芯區(qū)內(nèi)得到了可靠錨固。寬扁梁框架節(jié)點破壞試驗表明，雙向扁寬梁在框支柱交叉部分(除框支柱節(jié)點核芯區(qū)部分)先行破壞，然后才是框支柱節(jié)點核芯區(qū)破壞,又增加了抗震防線。此外在轉(zhuǎn)換層上留出了450mm 高度用泡沫混凝土回填作為上部住宅的地坪，管道也在這個高度得以穿行。

2.轉(zhuǎn)換層以下結構設計

    本工程底層為半地下室車庫,一至三層均為商場，商場的建筑分隔在方案階段已經(jīng)確定，落地剪力墻的布置相當受限制。為保證下部大空間結構有適宜的剛度、強度、延性和抗震能力，概念設計上應盡量強化轉(zhuǎn)換層下部主體剛度，弱化轉(zhuǎn)換層上部主體剛度，使轉(zhuǎn)換層上下部主體結構的剛度及變形特征盡量接近。故結合轉(zhuǎn)換層上下部建筑平面，在建筑四角和樓梯周邊設置長片落地剪力墻，并加大墻體厚度。落地剪力墻盡量設置翼緣  和端柱，使其具有良好的整體性和抗轉(zhuǎn)動能力。在構造上人為提高落地剪力墻的水平豎向分布鋼筋的配筋率,并在落地雙肢剪力墻底部設置交叉斜向鋼筋防止剪切滑移。

    框支柱的剛度遠小于落地剪力墻．落地剪力墻幾乎承擔了全部地震力,框支柱的剪力非常小。以往實際工程中由于在地震作用下轉(zhuǎn)換層樓板都會產(chǎn)生顯著的平面內(nèi)變形，使框支柱的剪力明顯增加。加之落地剪力墻一日開裂后剛度迅速下降，也導致框支柱所受剪力增加。現(xiàn)在的程序已經(jīng)能夠根據(jù)搜索到的框支柱數(shù)目和轉(zhuǎn)換層設置層數(shù)自動按高規(guī)規(guī)定調(diào)整框支柱占基底剪力的比例，但個人認為框支柱實際分配到的剪力實屬有限，可根據(jù)框支柱的重要程度人為加以適當調(diào)整。框支梁受力復雜，在結構整體計算后，再用高精度平面有限元分析程序FEQ對框支梁進行二次應力分析,FEQ可以按高規(guī)要求對加強部位的應力配筋。本工程框支主次梁采用了特殊多高層建筑分析和設計軟件PMSAP補充建模，按計算結果校核配筋，并加強配筋構造措施。

    轉(zhuǎn)換層樓板的剛度直接決定其變形，并影響框支墻與落地剪力墻的內(nèi)力分配和位移及水平剪力的傳遞。高規(guī)對此制定了相應構造措施保證轉(zhuǎn)換層樓板的剛度和承載力。轉(zhuǎn)換層樓板應盡量避免開洞和錯層布置，因建筑要求不能避免，采取相應加強措施,如在洞口設置邊梁，錯層處加強邊梁的抗扭剛度等等。

3.轉(zhuǎn)換層以上結構設計

    試驗研究表明，轉(zhuǎn)換層上層是結構的薄弱環(huán)節(jié)，往往破壞比較嚴重,設計時應保證轉(zhuǎn)換層以上豎向構件底部盡可能避免出現(xiàn)塑性鉸，加強上層豎向構件與轉(zhuǎn)換層的連接構造，以保證轉(zhuǎn)換層有更好的延性。本工程框支柱在上部墻體范圍內(nèi)的縱向鋼筋伸入上部墻體一層高度，其余柱筋錨入轉(zhuǎn) 換層梁內(nèi)或板內(nèi)。轉(zhuǎn)換層上層剪力墻、框架柱縱向鋼筋不留接頭。轉(zhuǎn)換層與上層剪力墻的水平施工縫按高規(guī)規(guī)定驗算抗滑移能力，并將剪力墻底部加強區(qū)的高度提高到轉(zhuǎn)換層以上兩層,轉(zhuǎn)換層上部剪力墻布置，盡量保證其整體空間完整性和延性。剪力墻洞口盡量居于轉(zhuǎn)換構件的跨中，盡量使墻和轉(zhuǎn)換梁作為一個整體彎曲變形,轉(zhuǎn)換梁處于整體彎曲的受拉翼緣。單獨分析轉(zhuǎn)換梁，所受彎矩會因剪力墻的共同工作而大降低。剪力墻盡量設置轉(zhuǎn)角翼緣，盡可能增大上部不落地剪力墻的間距。上部剪力墻的受荷和剛度盡量均勻。本工程因為墻體錯位較多，且墻體上多開有窗洞，角部又  有角窗，故在外圍墻體多采用聯(lián)肢墻,截面形式多采用抗扭剛度L型、T型,中間區(qū)域多采用L型墻肢。由于建筑的限制，出現(xiàn)了部分短肢剪力墻。短肢剪力墻設置成與四周墻體組合成圍合簡體，并在構造上提高短肢剪力墻的抗震等級。角窗位置加大板厚配筋并設置暗梁。

4.結論

    本工程屬于高位轉(zhuǎn)換，高規(guī)規(guī)定轉(zhuǎn)換層本層的側(cè)向剛度不應小于相鄰上一層的側(cè)向剛度l的60％，轉(zhuǎn)換層上部結構和下部結構在轉(zhuǎn)換高度處的總體側(cè)向剛度比宜接近l，不應大于1.3．本工程轉(zhuǎn)換層側(cè)向剛度與相鄰上一層的側(cè)向剛度的比值為71％，轉(zhuǎn)換層上部結構和下部結構在轉(zhuǎn)換高度處的總體側(cè)向剛度比值為0.7422，均滿足規(guī)范要求。

表1周期振型、層問最大位移表

    本工程質(zhì)心和剛心基本重合．第一二振型接近平動，以扭轉(zhuǎn)為主的第一振型與以平動為主的第一振型的比值為0.807。整體結構扭轉(zhuǎn)的不利影響并不大，計算結果還算理想。但因為建筑體型的平面豎向的小規(guī)則，人為進行的構造加強措施較多，和同類規(guī)則體型的建筑相比，工程造價和抗震概念設計還有差距。故底部大空間剪力墻平面布置因力求簡單規(guī)則，均衡對稱。

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網(wǎng)絡：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)