高層建筑轉(zhuǎn)換層側(cè)向剛度計算方法的探究

李金石

摘 要：本文主要針對轉(zhuǎn)換層剪力墻結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度的計算方法展開了探究，簡要介紹了高規(guī)JGJ3‐2002、JGJ3‐2010的計算方法，對新的計算方法及與高規(guī)法的溝通作了系統(tǒng)闡述，并結(jié)合了具體的算法案例，以期能為有關(guān)方面的需要提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：高層建筑轉(zhuǎn)換層；層側(cè)向剛度；計算方法

0 前言

所謂的轉(zhuǎn)換層，是指建筑物某層的上部與下部平面使用功能不同，該樓層上部與下部采用不同結(jié)構(gòu)類型，并通過該樓層進行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)。而剪力墻，是指房屋或構(gòu)筑物中主要承受風荷載或地震作用引起的水平荷載和豎向荷載的墻體。基于此，本文就轉(zhuǎn)換層剪力墻結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度的計算方法進行了探究，相信對有關(guān)方面有一定的幫助。

1 高規(guī)JGJ3‐2002、JGJ3‐2010的計算方法

老高規(guī)和新高規(guī)對轉(zhuǎn)換層上下結(jié)構(gòu)層側(cè)向剛度均近似采用層所有剪力墻豎向構(gòu)件只考慮柱假設(shè)兩端無轉(zhuǎn)動和剪切變形，只考慮彎曲變形的近似層總側(cè)向剛度計算公式，

（1）

式中， ； Awi為第i層全部剪力墻在計算方向的有效截面面積；hi為i層層高；G為i層剪力墻混凝土的剪切彈性模量。

當樓層內(nèi)有柱時，式Ai中尚應(yīng)包括柱兩端假設(shè)無轉(zhuǎn)動時的側(cè)移剛度，近似用下式表示：

（2）

（3）

式中：hcij為第i層第j根柱沿計算方向的截面高度。

高規(guī)明確規(guī)定當轉(zhuǎn)換層在1、2層時可采用轉(zhuǎn)換層與其相鄰上層結(jié)構(gòu)的等效剪切剛度比表示轉(zhuǎn)換層上、下層結(jié)構(gòu)剛度的變化。

當轉(zhuǎn)換層在1層時，

（4）

式中，h1、h2分別為1層2層的層高。

當轉(zhuǎn)換層在2層時，

（5）

式中，h3為3層的層高。

以上公式表明，高規(guī)轉(zhuǎn)換層層側(cè)向剛度是假定該樓層所有剪力墻豎向構(gòu)件僅考慮剪切變形來求得側(cè)向剛度，其中柱子假設(shè)兩端無轉(zhuǎn)角產(chǎn)生相對單位側(cè)移時的剪力為其側(cè)向剛度。

這一計算方法的優(yōu)點是把結(jié)構(gòu)層側(cè)向剛度以僅與結(jié)構(gòu)層豎向構(gòu)件自身幾何物理屬性有關(guān)的形常數(shù)來表達，而與外荷載無關(guān)，這是正確的，但此法實質(zhì)上是對層豎向構(gòu)件兩端的轉(zhuǎn)動約束假設(shè)為無限剛約束且假設(shè)整個水平構(gòu)件為無轉(zhuǎn)動狀態(tài)時，層產(chǎn)生單位側(cè)移 時，這與實際情況不相符合，尤其是在轉(zhuǎn)換層的上層和下層，其水平構(gòu)件的抗彎剛度一般都不大，與假設(shè)無限剛相去甚遠，即使轉(zhuǎn)換層梁板自身抗彎剛度較大，也和無限剛假設(shè)有較大差距，因此這一計算方法的合理性和準確性尚需進一步的研究。

2 新的計算方法及與高規(guī)法的溝通

當轉(zhuǎn)換層在一層時，轉(zhuǎn)換層處產(chǎn)生單位水平位移 時，所需施加的水平力，即為該層的側(cè)向剛度k1，當轉(zhuǎn)換層在二層時，一層無側(cè)移 ，轉(zhuǎn)換層處產(chǎn)生水平位移 時，所需施加的水平力即為該層的層側(cè)向剛度k2。

以上方法既考慮了層豎向構(gòu)件的受力特性，也考慮了豎向構(gòu)件兩端實際的轉(zhuǎn)動約束，因而是比較合理的。考慮到轉(zhuǎn)換層上下層豎向構(gòu)件兩端的約束與無限剛假定相差甚遠，可以判定現(xiàn)高規(guī)計算方法求得的層側(cè)向剛度計算結(jié)果必然偏大，有時會偏大很多，這是設(shè)計時值得注意的，為了更清楚地闡明這個問題，可對兩法作進一步的溝通。

高規(guī)法計算轉(zhuǎn)換層層側(cè)向剛度時，將轉(zhuǎn)換層及相連上層或下層水平構(gòu)件假定為無限剛，并只計算層剪力墻豎向構(gòu)件的剪切變形導(dǎo)出的層側(cè)向剛度計算公式，而新方法則不但計入了轉(zhuǎn)換層自身及相鄰的上下層水平構(gòu)件彎曲變形，還計入了層豎向構(gòu)件的彎曲變形影響，不但在理論上較為合理，而且適當簡化后還可以與高規(guī)法相互均通?，F(xiàn)以轉(zhuǎn)換層在一層時為例進行說明，當轉(zhuǎn)換層在一層時，假設(shè)轉(zhuǎn)換層水平構(gòu)件彎曲剛度為無限剛，計算模型可簡化為圖1所示，此時由于各豎向構(gòu)件軸向變形并未制約，轉(zhuǎn)換層水平構(gòu)件整體轉(zhuǎn)角 ，由此求得的層側(cè)向剛度k1與高規(guī)法仍會略有差異，但可以判斷此項影響很小，與用高規(guī)法求得的結(jié)果應(yīng)較接近；如在圖1模型基礎(chǔ)上，對轉(zhuǎn)換層水平構(gòu)件施加豎向變形約束，則此時轉(zhuǎn)換層下各豎向構(gòu)件的變形狀態(tài)將與高規(guī)法所作假定計算模型完全一致，從理論上分析，兩者計算結(jié)果應(yīng)完全一致，但高規(guī)法近似將剪力墻作為構(gòu)件處理，而現(xiàn)有程序均將剪力墻按有限單元法計算，所以二者實際計算結(jié)果仍會有一定差別，

圖1 圖2

3 算例

算例：某30層框支轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層設(shè)置在1層，結(jié)構(gòu)平面如圖3。采用新高規(guī)法與新方法計算轉(zhuǎn)換層上下層的側(cè)向剛度及相應(yīng)的層側(cè)剛比，計算結(jié)果如表1。

圖3 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)布置示意圖

（轉(zhuǎn)換層下柱截面均為800x800，墻厚500mm，轉(zhuǎn)換層上部截面厚均為200mm）

表1 轉(zhuǎn)換層在1層時層側(cè)向剛度（104KN/mm）

算例清楚表明，由于假設(shè)轉(zhuǎn)換層及上下相鄰層水平構(gòu)件剛度為無限剛，高規(guī)層剪切剛度計算方法，求得的層側(cè)向剛度計算結(jié)果分別偏大2.05至2.68倍，由此引起層側(cè)剛比計算結(jié)果偏小6%或偏大16%，當結(jié)構(gòu)構(gòu)件情況變動時，誤差有可能更大，事前也難以判斷孰偏大或孰偏小，這對設(shè)計將帶來頗為不利的影響。

4 結(jié)語

如今，隨著我國建筑技術(shù)的發(fā)展進步，帶轉(zhuǎn)換層的部分框支剪力墻高層建筑得到了廣泛應(yīng)用。如果整體計算中側(cè)向剛度不滿足要求時， 可以通過調(diào)整轉(zhuǎn)換層上下幾層落地剪力墻位置、墻厚、數(shù)量、混凝土強度等級等手段使側(cè)向剛度滿足要求， 從而減少地震作用下給結(jié)構(gòu)帶來嚴重損害的可能性， 真正保證復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性、安全性。

參考文獻

[1]榮維生、王亞勇、周仁刀.轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度對帶板式轉(zhuǎn)換高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的影響[J].工程抗震與加固改造.2004（06）.

[2]魏璉、王森、孫仁范.高層建筑結(jié)構(gòu)層側(cè)向剛度計算方法的研究[J].建筑結(jié)構(gòu).2014（06）.