带新型斜柱转换的框支剪力墙结构力学性能分析＊

2015-11-22谢成吉周世明赵庆阳龙海芳

贵州大学学报(自然科学版) 2015年2期

李梦，申波，谢成吉，周世明，赵庆阳，龙海芳

(贵州大学空间结构研究中心，贵州贵阳 550003)

为满足日益扩大的使用功能需求，不少建筑集商业、餐饮、娱乐、写字间、公寓于一体，致使上下楼层建筑使用功能完全不同，布局各异，这就出现了因上下结构型式或轴网尺寸不同而必须设置转换层的情况［1］。目前常用的转换结构形式有实腹大梁转换、箱形转换和厚板转换。随着高层建筑的发展，斜柱转换作为一种新型转换结构逐渐出现在人们的视野之中，主要用于梁托柱的建筑，如:文献［1］中的沈阳华利广场采用双环结构斜柱转换，成功将6 层以上增设的环绕核心筒的一圈走廊柱并入核心筒壁内，实现结构托柱转换。近年来鉴于斜柱转换传力直接、明确，受力合理等优势［2］，斜柱转换也正逐步应用于框支剪力墙结构中，但主要是针对短肢剪力墙，重庆大学钟树生教授等对斜柱转换在框支短肢剪力墙结构中的应用做了一系列的理论分析和试验研究［3，4］，结果表明:斜柱转换结构的延性及耗能均低于钢筋混凝土梁式转换，斜柱间转换梁净跨段损伤较严重，其主要原因在于加斜柱后梁的跨高比变小，破坏类似于小跨高比连梁，延性较差。因此，为了提高传统混凝土斜柱转换的抗震性能，加强斜柱间转换梁段的延性，使斜柱转换能更加广泛的应用于实际工程中，我们提出了带型钢的新型斜柱转换结构，并将其应用于框支剪力墙结构中。新型斜柱转换结构由型钢混凝土斜柱、部分型钢混凝土转换梁(型钢主要布置在斜柱间的转换梁内)、钢筋混凝土框支柱组成，型钢混凝土斜柱一端与转换层中的框支柱柱脚连接，另一端与型钢混凝土转换梁连接，其立面布置如图1 所示。本文通过某工程实例对新型斜柱转换和实腹大梁转换进行对比分析，从结构周期、位移、刚度比和转换梁截面尺寸等方面，分析比较在高层建筑中新型斜柱转换的应用对结构整体性能改善的效果，为新型斜柱转换在工程中的应用和推广提供一定的理论依据。

图1 斜柱在转换层的立面布置图

1 新型斜柱转换结构的设计要点

1.1 结构特点

新型斜柱转换结构利用钢结构偏心支撑耗能梁段的原理，在斜柱、转换梁中布置型钢，斜柱的型钢锚固于转换梁、框支柱中，以加强斜柱与转换梁、框支柱的连接节点，通过在斜柱间的转换梁内布置型钢，形成斜柱与斜柱之间的耗能梁段，以提高斜柱转换结构的延性、耗能，使斜柱转换结构的非弹性变形能均匀、有序地散布于整个转换结构中。新型斜柱转换不仅继承了传统混凝土斜柱转换的优点，同时具有更好的延性和耗能能力，提高了结构在罕遇地震作用下的抗震性能，适用范围更广。

1.2 构造要求

在型钢混凝土组合结构中，型钢与外包混凝土能否协调变形，是两者共同工作的条件。为保证外包混凝土与型钢的共同工作，必须在外包混凝土中配置必要的钢筋［5］。型钢混凝土转换梁中纵向受拉钢筋的配筋率宜大于0.3%，配箍率不应小于0.15%;型钢混凝土斜柱全部纵向受力钢筋的配筋率不宜小于0.8%，为提高斜柱的变形能力和粘结破坏承载能力，柱箍筋加密区的箍筋最小体积配箍率取值范围应为1.0%～1.2%。为了保证型钢与混凝土二者能够良好协同工作直至型钢屈服，一方面要求型钢与混凝土之间有足够的粘结承载力，同时也要求在型钢达到屈服强度前，混凝土保护层不会被压碎，因此要求型钢混凝土柱的保护层厚度不宜小于120 mm，型钢混凝土转换梁的保护层厚度不宜小于100 mm，且梁内型钢翼缘离梁两侧距离之和，不宜小于梁截面宽度的1/3。型钢混凝土结构构件中型钢钢板不宜过薄，以利于焊接和满足局部稳定要求，型钢钢板厚度不宜小于6 mm［6］。按文献［5］的要求，型钢混凝土梁、柱构件中，型钢的含钢率不小于2%，也不宜大于15%，合理含钢率为5%～8%。

2 工程实例

2.1 工程概况

本工程位于贵州省毕节市，为框支剪力墙高层住宅建筑。结构设计使用年限为50 年，抗震设防烈度为6 度，设计地震分组为第一组，地震基本加速度为0.05 g，建筑场地类别为Ⅱ类，基本风压为0.30 kN/m2，地面粗糙度类别为B 类。建筑总高度为95.70 m，地上共31 层，第1 层采用大开间的框架—核心筒结构，为大型商场，转换层位于第2层，其层高为4.5 m，作为设备层、仓库使用，3 层及3 层以上为小开间剪力墙结构，用作住宅。转换层板厚为180 mm，转换层及以下的梁、板、柱、墙的混凝土强度等级为C55，转换层以上的框架梁、板的混凝土等级为C35，剪力墙的混凝土等级为C55，并随着楼层的增高，剪力墙的截面厚度和混凝土等级逐渐减小。原设计的实腹大梁转换层及上部剪力墙平面布置如图2 所示。

图2 实腹大梁转换层及上部剪力墙布置图

图3 斜柱在转换层的平面布置图

2.2 斜柱在转换层的平面布置

本工程转换层层高4.5 m，采用实腹大梁转换时，转换梁的截面高度最高为2300 mm，严重影响了建筑的使用功能;同时由于转换层与其相邻上层抗侧刚度差别很大，导致楼层层间承载力在转换层处产生突变。为了避免转换层形成薄弱层，本文考虑在不影响建筑原有使用功能的前提下，在结构的周边适当布置新型斜柱(如图3 所示)，以降低转换梁的截面高度，解决转换层上、下刚度突变的问题。斜柱的布置需尽量均匀、对称，沿x，y 向均需布置，使结构x，y 向抗侧刚度不宜差别太大，同时使结构刚心与质心尽量靠近。新型斜柱转换结构中的型钢混凝土斜柱、型钢混凝土转换梁(本文仅在型钢混凝土斜柱间的转换梁段内布置型钢混凝土转换梁，且所有型钢混凝土转换梁采用同一截面尺寸，如表1 所示，其余均为钢筋混凝土转换梁)的截面尺寸和配筋参数等分别见表1 和表2，截面示意图如图4、图5 所示。新型斜柱的混凝土强度等级与该层框支柱保持一致，即取为C55。

表1 截面尺寸 (单位:mm)

图4 型钢混凝土斜柱示意图

表2 含钢率、配筋率、配箍率 (单位:%)

图5 型钢混凝土转换梁示意图

2.3 实腹大梁转换与新型斜柱转换的结构性能对比分析

本工程的整体分析采用常用的结构设计软件PKPM 中的SATWE 模块，并用PMSAP 对计算结果进行复核［7］。其计算结果整理如下所示:

(1)结构的自振周期

表3 结构的自振周期 (单位:s)

由表3 可知，两种转换均满足复杂高层建筑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的比值不应大于0.85 的规定［8］。上表中新型斜柱转换与实腹大梁转换的自振周期非常接近，由于只在部分位置布置了新型斜柱，因而新型斜柱转换结构与实腹大梁转换结构的自振周期相差甚微。

(2)结构楼层位移和层间位移角

在地震作用下，结构的楼层位移和层间位移角，分别如图6、图7 所示。在风荷载作用下，结构的楼层位移和层间位移角，分别如图8、图9 所示，其中符号B、C 分别表示实腹大梁转换和新型斜柱转换，X、Y 分别表示X、Y 方向的位移或位移角。从图中可看出，新型斜柱转换与实腹大梁转换在地震作用和风荷载作用下的结构楼层位移、层间位移角都相差不大;新型斜柱转换和实腹大梁转换在X方向的结构楼层位移、层间位移角均大于Y 方向，这是由于结构整体X 方向的刚度小于Y 方向的刚度。由表4 可知，在考虑偶然偏心影响的规定水平地震作用下，新型斜柱转换和实腹大梁转换在X、Y方向的最大位移比，均满足不宜大于1.2 的要求［8］;在地震作用和风荷载作用下，新型斜柱转换和实腹大梁转换的最大层间位移角，均小于规范规定的层间位移角限值。

图6 地震作用下结构楼层位移

图7 地震作用下结构层间位移角

图8 风荷载作用下结构楼层位移

图9 风荷载作用下结构层间位移角

(3)转换层与其相邻上层结构的等效剪切刚度比

由表5 可知，实腹大梁转换和新型斜柱转换的剪切刚度比在X、Y 两个方向均满足不应小于0.5的要求［8］，这两种转换在转换层上层的结构布置和剪力墙的截面尺寸完全相同，因此二者转换层上层的剪切刚度变化不大;新型斜柱转换结构在转换层X、Y 方向布置的斜柱显著提高了转换层的剪切刚度，能明显改善转换层与其相邻上层结构的侧向刚度比。在保证与实腹大梁转换具有相同的剪切刚度条件下，新型斜柱转换可以在满足框支柱和落地剪力墙轴压比的同时适当减小框支柱和落地剪力墙的截面尺寸，以便取得更好的经济效益。