多重梁式高位轉換體系受力性能分析

王 瑋,趙建昌,劉廷濱

(蘭州交通大學土木工程學院,甘肅 蘭州 730030)

由于建筑沿高度方向樓層建筑功能的改變,往往會引起豎向結構形式或者軸網的改變,因此,在發生變化的樓層就需要設置結構轉換層。目前在工程中應用的轉換層主要結構形式有:梁式、桁架式、箱式和厚板式等。由于梁式轉換層傳力途徑明確,設計和施工簡單,其應用最為廣泛[1]。

通常梁式轉換層是采用主梁轉換,即墻(柱)-主梁-框支柱(落地剪力墻)的傳力途徑。由于上部建筑要求的限制,有時需要采用主次梁轉換形式,但是這種轉換形式的傳力途徑復雜,相關的實驗研究表明,轉換次梁的設置使主次梁交接部位受到附加集中力和彎矩作用,減小了主梁的剪跨比,使轉換主梁易產生剪切破壞。《高層建筑混凝土結構技術規程》[2](以下簡稱《高規》)規定:B級高度部分框支剪力墻高層建筑結構轉換層,不宜采用框支主、次梁方案。對這種多重轉換結構,相關文獻也較少。本文將以某工程實例為背景,對抗震設防烈度為7度地區多重梁式轉換結構體系進行分析。

1 工程概況

本工程為部分框支剪力墻結構,地下兩層,地上36層,結構總高度為113.2 m,結構轉換層設在地上6層,層高5 m。建筑抗震設防烈度為7度,設計地震加速度值為0.10 g,設計地震分組為第三組,建筑場地類別為Ⅱ類,100 a重現期的基本風壓值,地面粗糙度為C類。由于本工程地震設防烈度為7度,《建筑抗震設計規范》[3](以下簡稱《抗規》)規定:厚板轉換層結構不宜用于7度及7度以上的高層建筑,故本工程采用主次梁轉換。《高規》規定:部分框支剪力墻結構在地面上設置轉換層的位置,8度時不宜超過3層,7度時不宜超過5層,6度時可適當提高。因此,本工程轉換層設置屬于高位轉換,應進行具體分析。圖1為轉換層以下標準層典型構件布置,圖2為住宅標準層構件布置,圖3為轉換層構件布置圖(陰影部分為柱和剪力墻,虛線為梁)。6層以上除核心筒及周邊部分剪力墻落地以外,其余墻均未落地。轉換層下部剪力墻厚度為450mm～600mm,混凝土強度等級為C50,轉換層上部剪力墻厚度變為200mm～400mm,混凝土強度等級變為C45,剪力墻厚度共發生4次變化,分別位于地上7層,9層,13層和21層。轉換層下部柱子截面尺寸取1200mm×1200mm,混凝土強度等級為C50。轉換主梁截面為1000mm×2000mm,轉換次梁截面為800mm×1600mm和500mm×1200mm。轉換層板厚300mm,上部托承剪力墻,轉換層結構構件混凝土強度均為C50。

圖1 轉換層下部標準層構件布置圖

圖2 住宅標準層構件布置圖

圖3 轉換層結構構件布置圖

2 結構分析

本工程采用中國建筑科學研究院PKPM CAD工程部開發的SATWE程序及韓國MIDAS IT開發的建筑結構通用有限元分析和設計軟件MIDAS/Gen進行結構計算。結構自振周期、剪重比、基底剪力、位移及傾覆彎矩計算結構見表1～表4。

表1 采用SATWE計算的結構自振周期

表2 采用MIDAS/Gen計算的結構自振周期

表3 地震作用下兩種軟件主要計算結果比較

表4 風荷載作用下兩種軟件主要計算結果比較

本工程為部分框支剪力墻結構,根據《抗規》[3]5.5.1,彈性層間位移角限值按框架結構取值為1/550;根據《抗規》[3]5.2.5,最小剪重比取1.6%,以上結果均滿足規范要求。以上結果說明,該工程選用的結構體系是合理的,下文將針對轉換層進行分析。

3 轉換層分析

由于本工程采用主次梁轉換結構形式,本文采用FEQ(高精度平面有限元框支剪力墻計算及配筋軟件)分析轉換梁及剪力墻內力。主梁分別取邊梁和中梁進行分析,次梁取兩種截面都進行分析。由文獻[1]知,采用有限元分析時,考慮轉換梁上部3層墻體的共同作用,計算精度已足夠。荷載采用SATWE導算荷載,取圖3中主梁4軸、5軸及次梁1/A軸、1/C軸(左側)及1/D軸進行分析。

主梁:(邊梁5軸)恒載作用下,上部承托剪力墻處彎矩和剪力都很大,最大彎矩值為2858.6 kN·m,最大剪力值為3270.2 kN,X、Y方向地震作用下產生的彎矩和剪力也較大,風荷載作用下,梁產生的彎矩和剪力較小,與恒載作用下產生的內力值相比,可以忽略。地震荷載作用下節點位移最大出現在主次梁交接處對應的上部剪力墻頂,因此在主次梁交接處及上部剪力墻需進行另外的處理。比如在主次梁交接處加水平腋,增大剪力墻配筋等方法。由應力等值線圖4看出,恒載作用下,當轉換梁的某跨兩端都承托剪力墻時,該跨轉換梁的受力情況與普通框架梁相似,即上部受壓,下部受拉。由應力等值線圖5看出,地震作用下,剪力墻墻肢上的應力等值線十分密集,主要承受壓應力,轉換主梁的應力情況較為復雜,需對剪力墻的配筋進行加強。上下剪力墻與轉換主梁和框支柱與轉換主梁交接處,應力等值線十分密集,應力較為集中,應著重考慮轉換梁在墻肢頂部、底部及框支柱頂部的設計。

圖4 恒載作用下主梁(5軸)及上部構件應力等值線圖

圖5 地震作用下主梁(5軸)及上部構件應力等值線圖

(中梁4軸)恒載作用下上部承托剪力墻處彎矩和剪力較大,最大彎矩為1814.8 kN·m,最大剪力為-3079.4 kN,與邊梁相比要相對較小。X、Y方向地震作用下產生的彎矩和剪力較大,最大彎矩為-1395.6 kN·m,最大剪力為-1123.9 kN。風荷載作用下梁產生的彎矩和剪力很小,與上述值相比可忽略。該軸梁的內力情況與邊梁情況相似,但總體上來講,中梁的內力值比邊梁的內力值小,邊梁與中梁部分內力值比較見表5。由應力等值線得出的情況,中梁與邊梁基本類似,不再贅述。

表5 4軸、5軸內力結果比較

由圖6荷載簡圖看出,在轉換主、次梁相交處,轉換主梁上對應位置都出現了集中荷載,因此可以推斷出,傳力途徑為轉換次梁-轉換主梁。

圖6 轉換主梁(5軸)恒載簡圖

次梁:恒載作用下轉換次梁的內力與主梁的內力相比較小,次梁在地震作用下產生的內力與主梁在地震作用下產生的內力相比也較小。由應力等值線圖7看出,恒載作用下,轉換次梁的應力情況較為復雜,轉換層上部三層的梁為上部受壓,下部受拉,與普通梁相似。在轉換次梁與剪力墻交接處,應力集中較為明顯,應著重考慮轉換梁在墻肢底部的設計。

圖7 恒載作用下次梁(1/C軸)及上部構件應力等值線圖

圖8 地震作用下次梁(1/C軸)及上部構件應力等值線圖

由應力等值線圖8看出,地震作用下,不僅轉換梁的應力情況較復雜,轉換梁上部梁的應力情況也很復雜。剪力墻墻肢上的應力等值線十分密集,而且在與梁交接處應力集中現象很明顯。截面為500mm×1200mm的次梁,由于上部并不是承托整片的剪力墻,而是承托剪力墻墻肢的端部,從荷載簡圖上可以看出,在對應的部位都出現了集中荷載。截面為800mm×1600mm的次梁,上部既承托整片剪力墻,也承托剪力墻墻肢端部,從荷載簡圖上可以看出,在對應的位置也都出現了集中荷載。因此可以推斷出,傳力途徑為剪力墻——轉換次梁。

4 結論及建議

綜合以上分析可以推斷出,托墻主次梁轉換結構的傳力途徑為剪力墻—轉換次梁—轉換主梁—框支柱(落地剪力墻)。由FEQ分析可知,轉換層主次梁正交部位在設計時應予以加強;轉換梁上下部與墻或柱相交接處及兩端在設計時應予以著重考慮。另外,地震作用下,轉換層上部梁的應力等值線十分密集,應力情況也很復雜,需要對其設計予以著重考慮。

通過對該工程實例的分析,對主次梁轉換形式在工程中的應用提出以下建議:

(1)《高規》[2]規定:B級高度部分框支剪力墻高層建筑結構轉換層,不宜采用框支主、次梁方案。但是對通過本工程實例的分析可以看出,在低烈度地區(抗震設防烈度為6～7度),多重梁式轉換形式是可行的。

(2)在主次梁正交處應力較為集中,因此,在設計時需對這些部位采取一些加強措施,比如,在梁端加腋、在上下層梁間加設腹桿等。

(3)轉換梁上部梁和剪力墻應力較為復雜,設計時應予以著重考慮。

[1]唐興榮.高層建筑轉換層結構設計與施工[M].北京:中國建筑工業出版社,2002.

[2]中國建筑科學研究院.JGJ3-2010.高層建筑混凝土結構技術規程[S].北京:中國建筑工業出版社,2010:109-115.

[3]中國建筑科學研究院.GB50011-2010.建筑抗震設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2010:201-202.

[4]韓小雷,楊 坤,鄭 宜,等.帶梁式轉換層的超限高層建筑結構設計[J].昆明理工大學學報(理工版),2004,29(6):84-87.

[5]徐培福,王翠坤,郝瑞坤,等.轉換層設置高度對框支剪力墻結構抗震性能的影響[J].建筑結構,2000,30(1):38-42.

[6]吳綺蕓,王玉朋.框支正交主次梁轉換層受力性能[J].建筑科學,1997,(5):12-17.

[7]黃襄云,金建敏,周福霖,等.高位轉換框支剪力墻高層建筑抗震性能研究[J].地震工程與工程振動,2004,24(3):73-81.