转换结构高层建筑设计实例分析

　　摘要：本文由一范例工程简要介绍了带转换层多塔高层建筑结构设计时常见的几个问题，从结构方案到整体计算，详细介绍了工程设计的整个过程，并对计算结果进行分析比较。对设计中应注意的重点进行归纳总结。
　　关键词：高层建筑，转换层，多塔，框支柱，刚度，位移
　　前言
　　随着城市的发展，人们生活水平的不断提高，人们对于工作、生活及文娱活动场所要求的不断提高，城市建筑不断朝体型复杂、功能多样的综合性方向发展，因而相应的结构型式也复杂多样。尤其在城市主干道两侧，已大量兴建集吃、住、办公、购物停车为一体的带转换层多功能综合性高层建筑，并已成为现代高层建筑发展的一大趋势。
　　1工程实例简介
　　本项目位于广东省韶关市，由一层地下室，两层裙楼及B1、B2、B3三塔楼组成，地面总层数17层，总高度54.5m；首层和二层为框支柱网商场，三至十七层为三塔楼剪力墙结构，地下室为地下车库。建筑物抗震设防烈度为6度，二层顶设梁式转换构件，结构嵌固端初设为地下室顶板。
　　2结构方案分析
　　根据建筑平面布置，各层建筑功能划分，房屋高度及抗震设防烈度等要求，本工程首层、二层采用框支柱及部分落地剪力墙结构，二层顶设转换层，三层以上住宅采用剪力墙结构，墙厚200~250mm。
　　根据建筑要求，地下室层高5000mm，首层4500mm，二层4800mm，其余各层层高均为3000mm，由于首层、二层层高较高，转换层要抽疏了部分下部抗侧力构件，为使上下层结构抗侧力刚度不发生过大突变，使结构底部不出现薄弱层，因此初定将底部落地剪力墙墙厚取为400mm厚，框支柱截面也适当加大。剪力墙底部加强区为基础面至五层楼面。
　　结构嵌固端初设为地下室顶板，顶板厚初取180mm。地下室及首层、二层裙楼不设伸缩缝，计算中考虑地下室顶板温度应力，采取设后浇带、板面钢筋通长及设置抗温差预应力钢筋等方式加强楼板；三层以上设伸缩缝，分为三塔楼结构。
　　本工程塔楼部分平面连接薄弱，应选一塔楼平面如下图：
　　按结构初始方案，楼、电梯间部位，仅2.5m宽，楼板连接明显不满足《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）3.4.3条楼板局部不连续、凹凸不规则的原则，为了避免结构出现过多不规则类型而超限，在楼梯间两侧各加了A、B两块楼板，但并不计入建筑使用面积。
　　参照《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）本工程抗震等级如下表：
　　裙楼部分超长防裂措施：本工程裙楼不分全长88m，不设伸缩缝，超规范限制值，结合本工程实际情况采取如下防裂措施：
　　1） 设置后浇带，把结构分成若干子块，减少收缩应力。
　　2） 建议添加外加剂如聚丙烯纤维。
　　3） 优化混凝土水灰比，使用高性能混凝土。
　　4） 楼板结构计算时考虑温度应力，板面筋通长，增设抗温差预应力钢筋等措施。
　　根据建筑单元划分和结构平面规则性要求，转换层以上设置两条变形缝将结构划分为三个独立单元，缝宽200mm。
　　3计算结果分析
　　3.1整体计算软件：
　　3.11采用中国建筑科学研究院PKPM工程部的结构空间有限元分析与设计软件SATWE，该软件的简化理论采用空间杆单元模拟梁柱，用壳单元基础上凝聚而成的墙元模拟剪力墙，本工程以该软件计算结果为设计基本依据。
　　3.12采用PKPM中的复杂多、高层建筑分析软件（广义协调墙元模型）PMSAP，该软件从力学上看是一个线弹性组合结构有限元分析程式，本工程以该软件计算结果为补充计算及验算依据。
　　3.2整体计算参数选取：
　　3.21抗震设防烈度6度，基本风压0.3Kpa。
　　3.22结构嵌固端选为地下室顶板。
　　3.23框架梁弯矩调幅系数0.85，梁扭矩折减系数0.4.
　　3.24考虑偶然偏心及双向地震作用。
　　4计算结果分析比较
　　4.1上下层刚度比较：
　　地下室层侧向刚度与首层侧向刚度比较，地下室层剪切刚度：Ex1=2.14x108(KN/m)，Ey1=1.47x108(KN/m)；首层剪切刚度：Ex2=6.27x107(KN/m)，Ey2=7.04x107(KN/m)
　　地下室层与首层X、Y向剪切刚度比：γx=Ex1/Ex2=3.4γy=Ey1/Ey2=2.08。
　　地下室层与首层剪切刚度比满足《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）第5.3.7条，高层建筑结构整体计算中，当地下室顶板作为上部结构嵌固部位时，地下一层与首层侧向刚度比不宜小于2。
　　转换层上下层剪切刚度比较，转换层上层剪切刚度：Ex1=6.14x107(KN/m)，Ey1=7.9x107(KN/m)；转换层剪切刚度：Ex2=6.19x107(KN/m)，Ey2=6.99x107(KN/m)，转换层与上一层X、Y向剪切刚度比：γex=Ex2/Ex1=1.008γey=Ey2/Ey1=0.88。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010附录E规定γe宜接近于1，抗震设计时γe不应小于0.5，所以转换层上下层等效剪切刚度比满足规范要求。
　　4.2相邻两层楼层抗侧力结构的层间受剪承载力比值，转换层与转换层上层比值为
　　X向：5.15；Y向：3.40.已满足《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)第3.5.3条，楼层抗侧力受剪承载力不宜小于其相邻上一层受剪承载力的80%，不应小于其相邻上一层受剪承载力的65%的要求。
　　4.3分塔周期比及剪重比的验算：
　　由于整体计算时，SATWE软件并不能准确计算每个塔楼的周期比及剪重比，软件输出结果并不能对每个塔楼进行准确的分析比较。因此，必须将三个塔楼分开为三个模型单独计算周期比及剪重比。计算结果，三塔楼周期比均小于0.85，剪重比均大于0.8%，满足《高层建筑混凝土结构技术规程》第3.4.5条，第4.3.12条有关周期比及剪重比的要求，
　　4.4考虑偶然偏心及双向地震作用下，最大层间位移角及扭转位移比：
　　考虑本工程平面及竖向均比较复杂，计算时考虑了偶然偏心及双向地震作用的影响，计算结果显示，在Y+偶然偏心地震作用规定水平力作用下最大层间位移角在第二塔的第9层，最大层间位移角为1/2086，其相对应的扭转位移比为1.18，说明本结构位移角偏小，结构刚度比较大，转换层以上层剪力墙轴压比已比较大，部分墙肢已超过规范限值，故不再做调整,；最大扭转位移比是在X-偶然偏心地震作用规定水平力作用下，第一塔的第5层，扭转位移比为1.30，其相对应的层间位移角为1/3643，按《广东省高层建筑结构的补充规定》本工程属Ⅰ类扭转不规则。结构位移曲线如下图，曲线较光滑，曲率变化符合剪力墙结构的一般规律。
　　
　　4.5主要计算结果分析及结构规则性判定：
　　1).根据上述计算结果分析，本工程结构刚度适中，侧移曲线连续光滑，各项限值满足规范、规程要求，住宅层砼用量及层重度指标合理，满足安全适用、经济合理要求。
　　2).三层上下结构的侧向刚度比适当，满足规范规定的各项指标。
　　
　　3).两种软件分析比较，整体内力及位移计算结果相差不大，均能满足规范要求。
　　
　　4).经计算，本工程剪力墙、柱的轴压比满足规范、规程要求，同时高厚比较大的墙肢，经按（JGJ3-2002）附录D公式验算，墙肢稳定满足要求。
　　
　　5).建筑的刚重比满足计算整体稳定计算要求，可不考虑重力二阶效应的影响。
　　
　　6).本工程的不规则情况a、各塔楼考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2，小于1.5；属于Ⅰ类扭转不规则；b、属框支转换结构。
　　
　　7).主要计算结果及结构规则性判定表：
　　编号 计算项目 计算结果 规则性判定
　　   项目 是否规则
　　1 地震作用下最大扭转位移比 1.4 1a.扭转不规则 是（Ⅰ类）
　　2 地震作用下最大层间位移角 1/2026 1b.偏心布置 是
　　3 薄弱层分布层数层号 无 2a.凹凸不规则 否
　　4 转换层与上一层侧向刚度比 X:0.9559
　　Y:0.8437 2b.组合平面 否
　　   3.楼板不连续 否
　　5 刚重比 X:4.930
　　Y:4.270 4a.刚度突变 否
　　   4b.尺寸突变 否
　　6 周期比 0.82 5.构件间断 是
　　7 振型参与有效质量系数 X:90.23%
　　Y:90.26% 6.承载力突变 否
　　   7.其它不规则 否
　　8 剪重比 X:0.84%
　　Y:0.86% 是否超限高层 否
　　    
　　5结束语
　　由前面分析可知，带转换层高层建筑由于竖向布置及刚度变化，在地震作用下受力复杂，归纳总结，结构设计基本原则有如下三条：
　　5.1减少转换，布置转换层上下主体的竖向结构时，应注意使尽可能多的上部竖向结构能向下落地，连续贯通。
　　5.2传力直接，布置转换层上下主体竖向结构时，注意尽量使水平转换结构传力直接，尽量避免多重复杂转换。
　　5.3强化下部，弱化上部，应尽量强化转换层下部结构侧向刚度，弱化上部结构侧向刚度，使转换层上下主体结构侧向刚度尽量接近，平滑过渡。

《转换结构高层建筑设计实例分析》

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