多重梁式高位转换体系受力性能分析

王 玮,赵建昌,刘廷滨

(兰州交通大学土木工程学院,甘肃 兰州 730030)

由于建筑沿高度方向楼层建筑功能的改变,往往会引起竖向结构形式或者轴网的改变,因此,在发生变化的楼层就需要设置结构转换层。目前在工程中应用的转换层主要结构形式有:梁式、桁架式、箱式和厚板式等。由于梁式转换层传力途径明确,设计和施工简单,其应用最为广泛[1]。

通常梁式转换层是采用主梁转换,即墙(柱)-主梁-框支柱(落地剪力墙)的传力途径。由于上部建筑要求的限制,有时需要采用主次梁转换形式,但是这种转换形式的传力途径复杂,相关的实验研究表明,转换次梁的设置使主次梁交接部位受到附加集中力和弯矩作用,减小了主梁的剪跨比,使转换主梁易产生剪切破坏。《高层建筑混凝土结构技术规程》[2](以下简称《高规》)规定:B级高度部分框支剪力墙高层建筑结构转换层,不宜采用框支主、次梁方案。对这种多重转换结构,相关文献也较少。本文将以某工程实例为背景,对抗震设防烈度为7度地区多重梁式转换结构体系进行分析。

1 工程概况

本工程为部分框支剪力墙结构,地下两层,地上36层,结构总高度为113.2 m,结构转换层设在地上6层,层高5 m。建筑抗震设防烈度为7度,设计地震加速度值为0.10 g,设计地震分组为第三组,建筑场地类别为Ⅱ类,100 a重现期的基本风压值,地面粗糙度为C类。由于本工程地震设防烈度为7度,《建筑抗震设计规范》[3](以下简称《抗规》)规定:厚板转换层结构不宜用于7度及7度以上的高层建筑,故本工程采用主次梁转换。《高规》规定:部分框支剪力墙结构在地面上设置转换层的位置,8度时不宜超过3层,7度时不宜超过5层,6度时可适当提高。因此,本工程转换层设置属于高位转换,应进行具体分析。图1为转换层以下标准层典型构件布置,图2为住宅标准层构件布置,图3为转换层构件布置图(阴影部分为柱和剪力墙,虚线为梁)。6层以上除核心筒及周边部分剪力墙落地以外,其余墙均未落地。转换层下部剪力墙厚度为450mm～600mm,混凝土强度等级为C50,转换层上部剪力墙厚度变为200mm～400mm,混凝土强度等级变为C45,剪力墙厚度共发生4次变化,分别位于地上7层,9层,13层和21层。转换层下部柱子截面尺寸取1200mm×1200mm,混凝土强度等级为C50。转换主梁截面为1000mm×2000mm,转换次梁截面为800mm×1600mm和500mm×1200mm。转换层板厚300mm,上部托承剪力墙,转换层结构构件混凝土强度均为C50。

图1 转换层下部标准层构件布置图

图2 住宅标准层构件布置图

图3 转换层结构构件布置图

2 结构分析

本工程采用中国建筑科学研究院PKPM CAD工程部开发的SATWE程序及韩国MIDAS IT开发的建筑结构通用有限元分析和设计软件MIDAS/Gen进行结构计算。结构自振周期、剪重比、基底剪力、位移及倾覆弯矩计算结构见表1～表4。

表1 采用SATWE计算的结构自振周期

表2 采用MIDAS/Gen计算的结构自振周期

表3 地震作用下两种软件主要计算结果比较

表4 风荷载作用下两种软件主要计算结果比较

本工程为部分框支剪力墙结构,根据《抗规》[3]5.5.1,弹性层间位移角限值按框架结构取值为1/550;根据《抗规》[3]5.2.5,最小剪重比取1.6%,以上结果均满足规范要求。以上结果说明,该工程选用的结构体系是合理的,下文将针对转换层进行分析。

3 转换层分析

由于本工程采用主次梁转换结构形式,本文采用FEQ(高精度平面有限元框支剪力墙计算及配筋软件)分析转换梁及剪力墙内力。主梁分别取边梁和中梁进行分析,次梁取两种截面都进行分析。由文献[1]知,采用有限元分析时,考虑转换梁上部3层墙体的共同作用,计算精度已足够。荷载采用SATWE导算荷载,取图3中主梁4轴、5轴及次梁1/A轴、1/C轴(左侧)及1/D轴进行分析。

主梁:(边梁5轴)恒载作用下,上部承托剪力墙处弯矩和剪力都很大,最大弯矩值为2858.6 kN·m,最大剪力值为3270.2 kN,X、Y方向地震作用下产生的弯矩和剪力也较大,风荷载作用下,梁产生的弯矩和剪力较小,与恒载作用下产生的内力值相比,可以忽略。地震荷载作用下节点位移最大出现在主次梁交接处对应的上部剪力墙顶,因此在主次梁交接处及上部剪力墙需进行另外的处理。比如在主次梁交接处加水平腋,增大剪力墙配筋等方法。由应力等值线图4看出,恒载作用下,当转换梁的某跨两端都承托剪力墙时,该跨转换梁的受力情况与普通框架梁相似,即上部受压,下部受拉。由应力等值线图5看出,地震作用下,剪力墙墙肢上的应力等值线十分密集,主要承受压应力,转换主梁的应力情况较为复杂,需对剪力墙的配筋进行加强。上下剪力墙与转换主梁和框支柱与转换主梁交接处,应力等值线十分密集,应力较为集中,应着重考虑转换梁在墙肢顶部、底部及框支柱顶部的设计。

图4 恒载作用下主梁(5轴)及上部构件应力等值线图

图5 地震作用下主梁(5轴)及上部构件应力等值线图

(中梁4轴)恒载作用下上部承托剪力墙处弯矩和剪力较大,最大弯矩为1814.8 kN·m,最大剪力为-3079.4 kN,与边梁相比要相对较小。X、Y方向地震作用下产生的弯矩和剪力较大,最大弯矩为-1395.6 kN·m,最大剪力为-1123.9 kN。风荷载作用下梁产生的弯矩和剪力很小,与上述值相比可忽略。该轴梁的内力情况与边梁情况相似,但总体上来讲,中梁的内力值比边梁的内力值小,边梁与中梁部分内力值比较见表5。由应力等值线得出的情况,中梁与边梁基本类似,不再赘述。

表5 4轴、5轴内力结果比较

由图6荷载简图看出,在转换主、次梁相交处,转换主梁上对应位置都出现了集中荷载,因此可以推断出,传力途径为转换次梁-转换主梁。

图6 转换主梁(5轴)恒载简图

次梁:恒载作用下转换次梁的内力与主梁的内力相比较小,次梁在地震作用下产生的内力与主梁在地震作用下产生的内力相比也较小。由应力等值线图7看出,恒载作用下,转换次梁的应力情况较为复杂,转换层上部三层的梁为上部受压,下部受拉,与普通梁相似。在转换次梁与剪力墙交接处,应力集中较为明显,应着重考虑转换梁在墙肢底部的设计。

图7 恒载作用下次梁(1/C轴)及上部构件应力等值线图

图8 地震作用下次梁(1/C轴)及上部构件应力等值线图

由应力等值线图8看出,地震作用下,不仅转换梁的应力情况较复杂,转换梁上部梁的应力情况也很复杂。剪力墙墙肢上的应力等值线十分密集,而且在与梁交接处应力集中现象很明显。截面为500mm×1200mm的次梁,由于上部并不是承托整片的剪力墙,而是承托剪力墙墙肢的端部,从荷载简图上可以看出,在对应的部位都出现了集中荷载。截面为800mm×1600mm的次梁,上部既承托整片剪力墙,也承托剪力墙墙肢端部,从荷载简图上可以看出,在对应的位置也都出现了集中荷载。因此可以推断出,传力途径为剪力墙——转换次梁。

4 结论及建议

综合以上分析可以推断出,托墙主次梁转换结构的传力途径为剪力墙—转换次梁—转换主梁—框支柱(落地剪力墙)。由FEQ分析可知,转换层主次梁正交部位在设计时应予以加强;转换梁上下部与墙或柱相交接处及两端在设计时应予以着重考虑。另外,地震作用下,转换层上部梁的应力等值线十分密集,应力情况也很复杂,需要对其设计予以着重考虑。

通过对该工程实例的分析,对主次梁转换形式在工程中的应用提出以下建议:

(1)《高规》[2]规定:B级高度部分框支剪力墙高层建筑结构转换层,不宜采用框支主、次梁方案。但是对通过本工程实例的分析可以看出,在低烈度地区(抗震设防烈度为6～7度),多重梁式转换形式是可行的。

(2)在主次梁正交处应力较为集中,因此,在设计时需对这些部位采取一些加强措施,比如,在梁端加腋、在上下层梁间加设腹杆等。

(3)转换梁上部梁和剪力墙应力较为复杂,设计时应予以着重考虑。

[1]唐兴荣.高层建筑转换层结构设计与施工[M].北京:中国建筑工业出版社,2002.

[2]中国建筑科学研究院.JGJ3-2010.高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2010:109-115.

[3]中国建筑科学研究院.GB50011-2010.建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010:201-202.

[4]韩小雷,杨 坤,郑 宜,等.带梁式转换层的超限高层建筑结构设计[J].昆明理工大学学报(理工版),2004,29(6):84-87.

[5]徐培福,王翠坤,郝瑞坤,等.转换层设置高度对框支剪力墙结构抗震性能的影响[J].建筑结构,2000,30(1):38-42.

[6]吴绮芸,王玉朋.框支正交主次梁转换层受力性能[J].建筑科学,1997,(5):12-17.

[7]黄襄云,金建敏,周福霖,等.高位转换框支剪力墙高层建筑抗震性能研究[J].地震工程与工程振动,2004,24(3):73-81.