多層框架梁式轉換設計

鄔勇偉

上海建筑設計研究院有限公司（200041）

多層框架梁式轉換設計

鄔勇偉

上海建筑設計研究院有限公司（200041）

通過介紹工程實例，針對多層框架梁式轉換的特點，提出相應的設計方法。

不規(guī)則；多層框架；梁式轉換

隨著現(xiàn)代建筑向著體系復雜、功能多樣化的綜合型方向發(fā)展，平常出現(xiàn)在高層建筑中的轉換結構也越來越多的應用在多層建筑的結構設計中，并成為現(xiàn)代建筑的一大發(fā)展趨勢，尤其是在用地緊張大中城市中更是如此。為了爭取建筑物底部較大的空間，同時滿足建筑體型及上部多功能的用途，就必須通過設置結構轉換層來實現(xiàn)，而梁式轉換是目前最常見、應用最廣泛的一種轉換形式，其特點是結構傳力直接、明確，路徑清楚，受力性能好，構造相對簡單。

1　工程概況

上海虹橋工業(yè)區(qū)某多層辦公樓，地上4層（地下一層），單體平面尺寸約為77 m×26 m。底層跨越兩層，層高9.5 m，3～5層層高4.4 m。

結構設計使用年限為50年，建筑結構安全等級為二級?？拐鹪O防烈度為7度（0.10 g），設計地震分組為第一組，抗震設防類別為標準設防類（丙類），場地類別為Ⅳ類，特征周期為0.90 s。

2　結構選型

辦公樓采用框架結構體系，為滿足建筑使用功能的要求，3～5層采用寬扁梁結構體系?？拐鸬燃墳槎?。3～5層的豎向構件通過3層樓面的轉換梁與底層的6根巨型斜柱實現(xiàn)傳力連接。轉換梁截面為1.5 m×3.0 m，斜柱截面為2.4 m×3.1 m。其標準剖面見圖1。

圖1　標準剖面圖

3　不規(guī)則情況

根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》及《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》中規(guī)定，本工程存在以下兩點超限：①考慮偶然偏心的扭轉位移比大于1.2；②上下墻、柱、支撐不連續(xù)，含加強層。

從建筑結構的安全考慮，判定屬于一般不規(guī)則的建筑，應按《建筑抗震設計規(guī)范》規(guī)定采取相應加強措施。由于工程處于Ⅳ類場地土，地震作用效應較大，因此應提出針對性的設計措施來進行結構設計。

4　設計中采取的措施

1）平面布置應力求簡單均衡，規(guī)則對稱，盡量使質心和剛心重合，避免扭轉的不利影響。

2）針對轉換結構容易剛度突變的特點，調整轉換層及其相鄰層的結構構件尺寸，在保證安全的前提下，強化轉換層下部結構，弱化上部結構，盡量控制剛度相近，但也不能過度加強轉換層，避免剛度、質量集中，造成地震效應突然增大。

一對一(OVO)拆分策略：將多分類問題進行拆分，若樣本具有M個類別，則將數(shù)據(jù)集劃分為M部分，每一部分為一個類別，然后將這M部分兩兩配對，因此可形成M(M-1)/2個二分類任務，即可訓練M(M-1)/2個分類器，可得到M(M-1)/2個預測結果，最后用投票法決定測試樣本的最終預測類別：把被預測得最多的類別作為最終的分類結果。

3）為了傳力直接，避免復雜轉化，轉換梁的中心線宜與所托的框架柱及下部的框支柱的中心線盡量重合，規(guī)避偏心造成的不利影響。

4）轉換層樓板厚度設計為180 mm厚，配置雙層雙向鋼筋，單層每個方向的配筋率不小于0.3%；考慮轉換梁的軸向變形，應采用彈性樓板假定，并用中震復核樓板應力。

5）由于轉換梁托的框架柱是空間受力，柱子的兩個主軸方向都有較大的彎矩，故設計中除應對轉化梁按計算配足受力鋼筋外，還應在垂直方向設置轉換次梁，以平衡平面外的彎矩。

6）對于轉換的上部結構采用寬扁梁結構體系，轉換層上層的直升柱和梁托柱截面不能有過大的消弱，軸壓比控制不宜放松，縱筋及箍筋宜適當加強。

7）根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》及《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》的要求，本工程屬于重要的框架轉換，應參照框支轉換采取適當?shù)募訌姶胧?，對底部斜柱和托柱轉換梁應進行有限元應力分析和中震彈性驗算，并按結果復核配筋。托柱轉換梁的扭矩不應折減，其水平地震作用計算內力應乘以相應的增大系數(shù)，底部斜換柱的抗震等級按一級（即提高一級）采取抗震構造措施，并應加強梁柱連接構造措施。

8）嚴格控制大跨度轉換梁和上部寬扁梁的變形（撓度和裂縫寬度），且其豎向撓度應不大于計算跨度的1/400。

5　計算結果分析

5.1小震下結果的分析對比

采用SATWE和ETABS軟件分別進行小震作用下的反應譜分析。在ETABS軟件分析中采用殼單元來模擬剪力墻，線單元來模擬梁、柱。兩個軟件對比分析結果見表1。由表1可知，在小震作用下，按彈性方法計算的各項指標均滿足相應規(guī)范的各項要求，且兩個軟件的計算結果較吻合，證明了計算模型建立的準確性。

表1　結果對比分析

5.2彈性時程分析及靜力彈塑性分析結果

設計時 （考慮到彈塑性動力時程分析）采用ETABS的彈性動力時程分析模塊進行彈性動力時程分析。時程分析選用三組地震波而非七組地震波，計算用特征周期0.9 s，加速度峰值按7度多遇地震取用，即35 cm/s2，各單元的分析見表2。

表2　時程分析與反應譜分析結果對比

從表2可以看出，每條時程曲線計算的結構基底剪力不小于振型分解反應譜法計算結果的65%同時也不大于135%，其平均值不小于振型分解反應譜法計算結果的80%同時也不大于120%，時程分析的計算結果與反應譜法計算結果基本吻合，按振型分解反應譜法計算地震作用及構件設計是充分的。由于采用一條人工波加兩條天然波的分析模式，故計算結果取時程法的包絡值和振型分解反應譜法的較大值，本單體按時程法的包絡值計算地震作用及構件設計，將振型分解反應譜法X向放大1.21倍；Y向放大1.20倍來指導施工圖的設計工作。

采用EPDA法進行結構在大震作用下的靜力彈塑性分析補充計算，分析結果表明，X、Y向最大層間位移角分別為1/219、1/136，滿足抗規(guī)對框架結構彈塑性層間位移角的限值1/50的要求，且同時滿足相關單體的抗震性能設計目標值要求。整體結構未出現(xiàn)顯著的薄弱層，達到了“大震不倒”的設計目標。

5.3罕遇地震作用下彈塑性動力分析

罕遇地震作用下的彈塑性分析采用Perform-3d軟件。Perform-3d是一個三維結構非線性分析與性能評估軟件，具有出色的非線性分析和性能評估能力。軟件為不同的非線性材料或組件設置了五種性能水平（Performance Level）。一般來說只使用到前三種性能水平，分別對應于立即使用階段（Immediate Occupancy）、生命安全階段（Life Safety）、防止倒塌階段（Collapse Prevention）。本工程定義三性能水平如下。

1）混凝土

第一性能水平點：混凝土抗壓平均強度的最大值。第二性能水平點：0.5倍混凝土抗壓平均強度的最大值。第三性能水平點：3倍的混凝土極限壓應變，即混凝土受壓破壞退出工作。

2）鋼筋

第一性能水平點：0.7倍鋼筋屈服強度標準值。第二性能水平點：鋼筋屈服強度標準值。第三性能水平點：3倍的鋼筋極限拉應變，即鋼筋受拉破壞退出工作。

具體見圖2～圖5。

圖2　PAR_00地震波作用下結構的塑性發(fā)展

圖3　TJNB地震波作用下結構的塑性發(fā)展

圖4　PAR_00地震波作用下單榀結構的塑性發(fā)展

圖5　TJNB地震波作用下單榀結構的塑性發(fā)展

由一層結構塑性發(fā)展示意圖可知，在同等強度的罕遇地震作用下，結構的抗震性能良好，第一層混凝土柱以及轉換梁均處于IO階段，一層結構構件沒有進入塑性發(fā)展階段；由單榀結構塑性發(fā)展示意圖可知，在同等強度的罕遇地震作用下，上部結構尤其最右側單榀框架柱上出現(xiàn)部分鋼筋屈服、混凝土壓碎后形成的塑性鉸，多數(shù)構件處于IO階段，僅少部分框架梁、柱處于LS階段。在后續(xù)的結構施工圖設計階段可針對此處梁、柱進行局部加強處理。

6　結語

通過對工程實例，采用小震下的振型分解反應譜分析，并補充小震下的彈性時程分析，大震下的靜力、動力彈塑性分析，得出以下結論：

1）梁式轉換傳力直接，轉換環(huán)節(jié)少；應協(xié)調轉換層上下部結構的剛度，做到有強有弱，結構計算應細致全面。

2）轉換梁的剛度對轉換梁與上部結構的共同作用能力有一定的影響，由于結構的整體性，轉換梁和其上部的框架是共同作用的。計算分析表明：適當加大上部幾層框架梁的截面尺寸，可使上部框架與轉換梁共同承擔，避免較大的內力集中在轉換梁上，使結構受力合理，提供抗震性能。本工程通過動力彈塑性分析，發(fā)現(xiàn)上部結構由于采用寬扁梁體系，性能較薄弱，不夠合理，在后期的設計中應予以調整加強。

3）選擇性能設計的方法驗算重要構件的承載力，符合結構設計的原則“強柱弱梁，強減弱彎”，體現(xiàn)了抗震概念設計，有效提高了結構的承載力和延性。

［1］建筑抗震設計規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［2］高層建筑混凝土結構技術規(guī)程［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

［3］高層建筑梁式轉換結構受力變形特點探析［J］.北京：建筑技術，2012.