帶轉(zhuǎn)換層復雜高層建筑結(jié)構(gòu)設計探討

陳勝

摘要：隨著當前城市化進程加快，建筑技術的提高，高層建筑開始逐漸向體型復雜、功能多樣的綜合性方向發(fā)展，尤其以帶有轉(zhuǎn)換層的復雜小高層為典型代表。本文將在探討轉(zhuǎn)換層類型以及結(jié)構(gòu)形式的基礎上，重點分析帶轉(zhuǎn)換層的復雜小高層結(jié)構(gòu)布置、計算調(diào)整、分析模型與設計計算等進行了分析。

關鍵詞：轉(zhuǎn)換層；復雜高層；結(jié)構(gòu)設計

1、工程概況

某大廈為高層商住綜合樓，地下1層，地上30層。采用框支剪力墻結(jié)構(gòu)。大廈1～2層為商業(yè)樓，3～30層為住宅；轉(zhuǎn)換層設在2層頂；標準層和轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)平面分別如圖1和圖2 所示。本工程為丙類建筑，抗震設防烈度為 6 度，基本地震加速度為 0.05g，建筑場地類別為 II 類，設計地震分組為第一組，基本風壓為0.35kN/m2，地面粗糙度為C 類。

典型的板式住宅，南北通透，進深小，立面寬。由于建筑平面狹長，并且西端局部軸線轉(zhuǎn)向，如圖設一道防震縫將建筑物分為東、西兩個結(jié)構(gòu)單元。東座為長矩形平面，西座平面嚴重不對稱，高寬比都很大。

2、結(jié)構(gòu)布置與計算調(diào)整

住宅建筑平面形狀復雜，高寬比的計算方法沒有明確的標準。如果按所考慮方向的最小投影寬度計算高寬比：東座達90.2∶9.3=9.7，西座達87.3∶9.3=9.4，遠遠超過了規(guī)范限值6。本工程平面中，局部突出部分占有相當大的面積，并且其外伸長寬比4.55∶7.2=0.63比較小，如果按包括突出部分的最大投影寬度計算高寬比，東座為90.2∶17.2=5.2，西座為87.3∶17.2=5.1。

為了得到理想的戶型布置，盡量不加大平面南北向最小寬度，而是通過剪力墻的平面布置來控制結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和承載能力，保證穩(wěn)定，防止傾覆，并實現(xiàn)良好的技術經(jīng)濟指標。結(jié)構(gòu)布置中增加Y 軸方向剪力墻的數(shù)量和長度，南北立面上局部突出的部分加強了剪力墻布置，尤其注意保證了足夠的y軸方向落地剪力墻，滿足規(guī)范‘底層框架部分承擔的地震傾覆力矩，不應大于結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的50%的要求。

彈性計算顯示：風荷載作用下，東座Y向最大層間位移角為1/1184，西座為 1/1250；多遇地震作用下東座Y向最大層間位移角為1/2219，西座為 1/2420；東座Y向剛重比為3.4，西座為3.83，均遠大于1.4，滿足規(guī)范的整體穩(wěn)定要求；剪力墻、框支柱等抗側(cè)力構(gòu)件配筋量正常，多數(shù)是構(gòu)造配筋，無異常超限情況；基礎底面也未出現(xiàn)零應力區(qū)。

計算中發(fā)現(xiàn)，東座由于平面狹長，扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比偏大。延長周邊剪力墻，同時縮短內(nèi)部剪力墻，使抗側(cè)力構(gòu)件的平面布置更加合理有效。調(diào)整剪力墻布置時，同時關注剛心的移動，避免無意間增大了偏心率而收到降低耦聯(lián)周期比的效果。

西座由于嚴重不對稱，樓層扭轉(zhuǎn)位移比很大。通過調(diào)整剪力墻布置，盡可能減小樓層剛度中心與質(zhì)量中心之間的偏心。關于多高層結(jié)構(gòu)剛心的定義存在爭議，現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)計算方法并不需要確定剛心的位置，但剛心仍是概念設計的有用工具。SATWE 軟件把每一樓層當作單層結(jié)構(gòu)計算出樓層剛心，PMSAP 軟件按照某種方式考慮所計算樓層與整體結(jié)構(gòu)的關系而得出樓層剛心。參考軟件計算的剛心和質(zhì)心位置，調(diào)整平面布置。

東座平面規(guī)則，框支柱距比較大，而且由于商場建筑布局的需要以及保證結(jié)構(gòu)Y向剛度和控制落地墻間距的考慮，Y向落地剪力墻較多，X向落地墻較少，使得X向轉(zhuǎn)換層附近豎向剛度突變比較明顯?？蛑Э蚣芙孛婧吐涞貕褚褵o法加大，主要通過適當縮短上部住宅剪力墻，加寬洞口，并利用裙房的側(cè)向剛度，使轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)等效側(cè)向剛度比滿足規(guī)范要求。

3、分析模型與設計計算

本工程為帶轉(zhuǎn)換層的復雜高層建筑結(jié)構(gòu)，設計時采用 SATWE和PMSAP兩種不同力學模型的三維空間分析軟件進行整體計算。

在聯(lián)肢剪力墻中，連梁是一種對結(jié)構(gòu)整體剛度很敏感的構(gòu)件，用殼元建模分析更準確。但是當連梁跨高比比較大時，對采用單元結(jié)點協(xié)調(diào)的SATWE會帶來與連梁相連處墻肢單元劃分困難的問題。鑒于目前的設計軟件不能人工干預單元的劃分，當連梁跨高比不小于5時用桿元建模，小于5時，用殼元建模。

本工程樓蓋整體性較好，無狹長樓板或局部大洞口，可以采用剛性樓板計算以減少自由度數(shù)。轉(zhuǎn)換層樓板起到傳遞分配不落地墻水平剪力的作用，另外在框支剪力墻中需考慮轉(zhuǎn)換梁的軸向拉力，水平轉(zhuǎn)換和豎向轉(zhuǎn)換都要求考慮樓板平面內(nèi)變形，應采用彈性板計算。為了使轉(zhuǎn)換梁轉(zhuǎn)換豎向荷載的傳力路線清楚，不考慮轉(zhuǎn)換層樓板的平面外剛度，按彈性膜計算，偏于安全?？紤]到水平荷載的轉(zhuǎn)換也不是全部在轉(zhuǎn)換層完成的，其上相鄰的標準層樓板也定義為彈性膜。

裙房屋面與轉(zhuǎn)換層樓面在同一標高，裙房框架柱的內(nèi)力也會受到水平荷載轉(zhuǎn)換的影響，故將裙房屋面板與轉(zhuǎn)換層樓面板一起定義為彈性膜。但在計算扭轉(zhuǎn)位移比時，為了反映結(jié)構(gòu)的整體扭轉(zhuǎn)，全樓強制采用剛性樓板假定。

PMSAP中梁、柱不能偏心建模，當轉(zhuǎn)換梁與其上剪力墻之間存在偏心時，輔助建立若干與轉(zhuǎn)換梁軸線垂直的分布足夠密的小段剛性梁，以傳遞剪力墻和轉(zhuǎn)換梁之間的荷載并協(xié)調(diào)變形，準確反映框支剪力墻的協(xié)同工作。

在結(jié)構(gòu)整體計算中，考慮雙向地震作用和偶然偏心，但二者不疊加。轉(zhuǎn)換層及其附近的彈性板使整體結(jié)構(gòu)的獨立質(zhì)量總數(shù)和固有振型總數(shù)大幅增長，振型復雜。

為了使復雜高層建筑結(jié)構(gòu)的地震反應譜分析達到足夠的精度，保證足夠大的各地震作用方向有效質(zhì)量系數(shù)，在振型分解反應譜計算中取前30階振型。

由于在轉(zhuǎn)換層附近采用了彈性板建模，使用總剛計算方法直接形成結(jié)構(gòu)的總剛度矩陣和總質(zhì)量矩陣進行地震反應分析。西座中因軸線轉(zhuǎn)向有部分斜交構(gòu)件，增加計算45°和135°方向水平地震作用。在振型分解反應譜法計算后檢查樓層剪重比，轉(zhuǎn)換層薄弱層處有足夠的設計地震剪力。

兩種設計軟件的各項計算結(jié)果比較接近，表明分析模型和方法合理，計算結(jié)果可靠，滿足了規(guī)范各項要求。主要計算結(jié)果示于表1～表4。

注：表中最大位移比和最大層間位移比只計塔部分，不含底部裙房和突出屋面的電梯機房。

4、結(jié)束語

高層建筑的造型和功能日趨多樣化。帶轉(zhuǎn)換層復雜高層建筑結(jié)構(gòu)能滿足建筑物上、下不同使用功能的要求，但該類結(jié)構(gòu)由于剛度突變，豎向構(gòu)件不連續(xù)，屬于不利于抗震的結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設計是結(jié)構(gòu)設計的一個難點，更是不同形式結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換的關鍵點，設計時應不斷研究和進行方案比較，合理建立分析計算模型，正確運用設計軟件，透徹理解規(guī)范條文的含義和背景，在現(xiàn)有認識水平的基礎上設計出安全可靠經(jīng)濟適用的結(jié)構(gòu)。

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