高层建筑钢混凝土梁式转换结构设计与分析

　　摘要：本文结合了一栋带结构转换层的高层建筑结构设计过程，比较了板式、梁式转换层的优缺点，同时分析了钢筋混凝土转换梁与型钢混凝土转换梁的差别，提出了适用于本工程的型钢混凝土主梁转换与钢筋混凝土次梁转换相结合的主次梁转换方案,分析了型钢混凝土梁的承载能力。
　　关键词：高层建筑；钢混凝土框架；转换梁分析；结构设计
　　某大楼是要求集商业、酒店办公为一体的现代化高层建筑。设有一层地下室,地上主体结构27层(裙房6层),突出屋面的塔楼2层,地面以上建筑总高度108.7m。1～6层为商业用房,采用钢筋混凝土框架－核心筒结构,6层以上为宾馆及酒店式公寓，采用剪力墙－核心筒结构。为实现这种底部大开间与上部剪力墙之间的转换,在主楼7层设置结构转换层。结构主体采用钢筋混凝土框架结构,部分构件采用型钢混凝土组合结构。建筑平面如图1所示(为表达清楚，图中忽略转换构件以外的平面图,图中灰色部分为底部框支结构,黑色部分为上部框支剪力墙）。
　　1结构方案确定
　　根据业主要求该建筑结构底部空间的部分柱子不能移动,上部框支剪力墙位置也不能移动,由此导致了上部框支剪力墙轴线与底部框支框架轴线错开较多的情况(图1）。初步方案拟采用厚板转换层，这样可以解决众多轴线错开的问题。但厚板转换的传力途径不清楚,受力也十分复杂,同时为满足抗剪和抗冲切的要求,初步计算板厚需要2.2～2.8m左右,考虑本工程转换层设置在地面以上32.4m处,大体积混凝土在高空施工难度大。此外,厚板的巨大重量势必会增大下部竖向构件的强度设计要求,同时,由于厚板的重量集中在结构中部,使得结构整体振动性能复杂,且该厚板转换层刚度远大于下层刚度,容易产生应力集中,地震反应强烈,对抗震十分不利。因此,厚板转换层对本工程并不适用。
　　
　　图1结构平面图
　　传力直接明确、途径清晰、并且转换梁受力性能好,施工也比较方便。但采用梁式转换时，应使转换梁直接承托上部剪力墙,尽量减少转换次数,避免主次梁的复杂转换形式。由于本工程上部剪力墙形式各异,底部的柱网间距较大且位置不能移动,主次梁转换形式在所难免,本文认为,为解决该建筑平面、立面的多样化给结构设计带来的难题，应该突破原有的经验和传统的结构概念,即：经过合理的概念设计、依托规范规程及借助已有电算手段,对主次梁转换形式进行详细分析,采取可靠措施,则主次梁的转换形式是可行的。框支主次梁平面图如图2所示。
　　
　　图2框支主次梁平面图（忽略转换层以外的平面图）
　　2转换梁截面尺寸确定
　　由于转换梁的结构一般是按剪压比所控制,为了初步的确定转换梁尺寸,可以按下式进行计算：Vb≤0.15fcbh/γRE（1）
　　式中,fc为转换构件混凝土抗压强度设计值；b、h分别为转换构件截面宽度和高度；Vb≈(0.6～0.8)V0，V0为框支梁按简支状态计算的所有重力荷载作用下支座截面剪力设计值。
　　现拟定框支梁混凝土强度等级为C50,跨度8.4m，γRE=0.85,并根据实际平面布置情况,取截面宽度b≈800mm，按式（1）计算后，梁尺寸为800mm×2500mm（b×h）。实际电算结果是，当梁尺寸为800mm×2800mm时仍有部分框支梁抗剪不足,而根据建筑实际要求,转换梁控制高度为2m。
　　要是使用钢骨混凝土为梁,可依据有关规范规定：型钢混凝土梁截面尺寸可按下式进行计算：
　　Vb≤0.36fcbh/γRE（2）
　　由以上的二种公式为比较可知,在其他条件不变的情况下,若采用型钢混凝土梁,理论上可使截面高度约降低70%,同时自重的减少可使Vb也减少,进而进一步降低梁高。
　　在经过多次试算后,最后采用了型钢混凝土转换主梁与钢筋混凝土转换次梁相结合的主次梁转换方案,具体结构平面如图2所示。其中,型钢混凝土转换主梁布置在主体框架,与型钢混凝土框支柱相连,如图2中实线所示；钢筋混凝土次梁与型钢混凝土梁等高连接,如图2中虚线所示。
　　3计算结果分析
　　3.1整体计算
　　为了分析主次梁的方案可行性,对该结构进行了整体的计算。设计参数：采用SATWE、PMSAP软件进行对比计算。风荷载按百年一遇取0.45kN/m2；抗震等级：框支框架、底部加强区均为一级；裙房为三级；地震作用按剪弯刚度分析模型并考虑扭转耦联,共计算24个振型,结构嵌固部位取在±0.000处，计算结果见表1。
　　表1结构整体计算的部分结果
　　
　　3.2弹性时程分析参数
　　可以采用天然TH1TG035、人工波RH1TG035及ELcentro波进行计算。地震加速度时程曲线的最大值为35cm/s2，结构阻尼比取5%。时程分析得到的x方向结果见图3。
　　
　　图3弹性时程分析结果
　　（a）最大楼层位移曲线；（b）最大楼层剪力曲线；（c）最大楼层弯矩曲线
　　3.3计算结果分析
　　①振型曲线符合规律；
　　②最大层间位移角<1/1000；最大层间位移与平均层间位移之比<1.4，均满足规范要求；
　　③从图3（a）中可以看出,曲线在转换层处由剪切型过渡到弯曲型,符合变形规律,此外,框支层曲线较上部框支墙平缓,说明底部刚度较上部框支剪力墙略小,与刚度比计算结果符合；
　　④时程分析的最大位移平均值小于反应谱法计算的位移值,时程分析的最大楼层剪力与弯矩均小于反应谱法的计算值；动力时程反应分析复核结果表明，不需要调整整个楼层构件的内力和配筋。
　　4型钢混凝土转换梁分析
　　建筑结构的关键是转换梁,而型钢混凝土的转换主梁在承托自身上部剪力墙的同时还承托转换次梁及次梁上的剪力墙。为提高其承载力,必将增大转换梁的刚度,但过大的转换梁刚度将导致转换层上下刚度比相差悬殊,对整体抗震性能反而不利。因此,在确保型钢混凝土转换梁承载力情况下,需要对转换梁截面尺寸进行优化。经过多次试算,型钢采用三种截面（表2）。考虑所采用的分析程序在计算型钢混凝土梁时可能出现偏差,为确保安全,需要对转换梁的承载力进行复核。根据程序计算结果,提取每种型钢混凝土梁截面对应的最大内力,并根据《钢骨混凝土结构设计规程》（YB9082-1997）进行计算，经多次计算并修改分析程序的错误配筋,使得每根转换梁承载力均大于程序的分析内力。同时,由于钢骨规程采用叠加方法,即未考虑型钢与混凝土共同工作,故本次采用的型钢混凝土梁是安全的。
　　表2型钢混凝土转换梁
　　
　　五、整体结构设计
　　除了计算的结果满足规范要求以外,还应保证结构的安全，应采取以下措施：①由于商场使用功能限制,落地剪力墙数量明显偏少,且由图1可以看出,核心筒位于y向上方,使该结构平面也不规则,地震作用下容易形成较大扭转。因此,为减少扭转,经多次协商,在⑥轴y向增加落地剪力墙,并且在弧形梁中间柱的两边布置贯通整楼的剪力墙,这样虽然损失了部分建筑功能,但把扭转效应降低到规范规定范围内,扭转周期也由第一周期降低到第三周期，抗震性能大为提高；②③由于建筑的核心筒y向刚度过大,在框支剪力墙布置时,外围剪力墙的x向长度应适当加长,内部剪力墙由于建筑需要，只能适当将y向长度加长,使得框支剪力墙墙肢高厚比均大于8,避免采用短肢剪力墙。此外，将核心筒y向厚度由400mm减到300mm,上述调整使得转换层上下刚度比、位移比等指标满足要求，整体性能及抗震性能得到改善；③转换层楼板要完成上、下层剪力的重新分配，在自身平面内受力很大,本项目楼板厚度按200mm设计，转换层上部七层根据建筑需要,设置空心板,板厚取200mm,地下室顶板厚度取180mm,部分取220mm进行设计,上述楼板配筋均按规范加强；④框支梁主体框架采用型钢混凝土梁以提高抗震性能，其他转换次梁采用钢筋混凝土梁。柱子全部采用型钢混凝土柱以实现与型钢混凝土梁的连接；⑤部分地方由于建筑功能需要,框支剪力墙与框支梁轴线错开,为减少框支梁的巨大扭矩；在剪力墙墙肢处（该处为扭矩集中作用点）设置与框支梁垂直的抗偏梁,从而抑制框支梁关键部位的出平面变形尤其是角变位；⑥在型钢混凝土框支梁与核心筒连接处设置型钢混凝土构造柱，使梁上应力平稳地传递到核心筒中，满足“强柱弱梁”要求；⑦由于转换梁是建筑的受力关键，且应力分布复杂，在型钢混凝土框支梁、柱的型钢上沿全长设置直径为22mm、长度90mm、间距150mm的栓钉，以保证内力的可靠传递；⑧为保证梁柱连接节点可靠传力,梁翼缘与柱采用全熔透坡口对接焊缝,梁腹板与柱通过连接板采用高强螺栓连接。水平加劲肋与柱型钢翼缘采用坡口焊，与腹板采用双面角焊缝。
　　六、结语
　　在上部框支剪力墙轴线与底部框支框架轴线错开较多时,根据概念设计、规范规程及已有电算手段进行合理的分析,并采取可靠的措施,采用主次梁进行转换是可行的。本文通过建立不同分析模型,对大楼的型钢混凝土框支转换层结构进行了计算分析,并对转换构件进行了对比。分析表明采用型钢混凝土可以有效降低梁高,提高抗震性能。
　　参考文献
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