某高层框支转换结构的体型分析.pdf

第二十届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 8 年 某高层框支转换结构的体型分析 黄强 上海市建筑科学研究院上海2 咖3 2 提要本文结合工程实例对结构体型布置进行分析，指出了不同的平面、立面的体型对结构受力性能的影响，讨论了 大底盘高位框支转换结构设计时应该注意的一些问题，为同类工程提供参考。 关键词结构体型，转换层，框支转换结构，侧向刚度比 1 、前言 由于城市用地紧张，建筑物向空中和地下发展；公众审美观的多样化 促使建筑师对建筑形态不断变化和创新；房产市场需求的不断变化，居住 者对居住建筑设计的要求以及需求的多样化促使设计者不断翻新；也有些 来自于建筑地块本身形状的制约。导致了超限高层建筑越来越多的在我国 出现【1 1 。超限高层建筑的复杂性促使了对结构的方案设计的重要地位，合 理的选择结构的体型、采用合适的计算模型对结构进行整体分析可以把影 响高层建筑抗震设计的诸多不利因素减小到最低程度，提高结构的安全性 和可靠性。 2 、工程概况 郑州大学路某高档酒店式公寓，总建筑面积为4 1 0 0 0 m 2 ，地下二层， 主体三十层，其中1 ～4 层为商业用房，层高为5 4 0 0 衄、4 8 0 0 衄、 4 8 0 0 m m 、5 7 0 0 m m ，5 层以上均为小户型公寓，层高2 9 0 0 m m ，主体结 构高度9 6 ．7 0 m 。因建筑功能需要，需采用框支抗震墙结构，转换层设在 四层项板。建筑总剖面图如图l ，转换层结构平面布置如图2 。 3 、结构转换层方案 图l 剖面图 l 毒⋯U ⋯， lj 卞“一一蓦 H ．} 患} } - 1 州i - 5 { 1 { ‘ 【～王二j j ⋯‘卜‘一 L 星_ ⋯n 一 耍 ⋯．．事⋯～豇。 一| 』_ r 。 o 卫卧 } f ‘c 可i1i 了 e 』j 罡 1 1 ∞0 【1 0 6 0 0 【1 0 6 0 0t 1 1 ∞0 转换层的结构形式可以采用梁式、桁架式、板式、箱形等，这些转 图2 转换层平面结构布置 换层都可以形成大空间，实现结构类型或轴线的转变。其中梁式转换层 受力明确，设计和施工相对简单，应用最为广泛；同时，在转换梁受力较小部位可以开设合适的洞口， 容易满足建筑功能和设备管线布置的要求。因此，本工程采用梁式转换层。本工程结构设计的难点在与 如何最大满足建筑功能的需要合理的布置转换结构平面。 黄强，男，1 9 8 2 ．1 0 出生，工学硕士，工程师 ．5 2 6 _ 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 8 年 4 、结构体型分析 为最大限度的利用有效空间，满足建筑的使用功能。方 案分析中对图3 a 中塔楼平面进行了计算，由于L 型平面建 筑物因扭转而破坏的很多，根据L 型平面凸出部分长度，的 长度不同，分析了丁一1 、Z 一2 、丁一3 三种工况，丁一彳和 丁一艿为丁一1 工况采用了抗震缝把塔楼分割为彳、B 两个 部分，丁一彳’为在丁一彳基础上减少了转换梁的数量，增加 j 上一上 a b 图3 建筑平面 了塔楼么西侧的剪力墙落地。采用多种程序进行结构整体分析，表1 ～3 为S A l r 、阮的主要计算结果。 应说明的是，对于底部大空间框支剪力墙结构，本工程还有如下几个特点1 高位转换，转换梁 设置在四层顶板处，标高2 1 ．3 0 0 米。转换层位置较高时，易使框支剪力墙在转换层附近的刚度、内力和 传力途径发生突变，并易形成薄弱层，对抗震不利。2 主次梁二级转换，3 转换梁跨度较大，最大跨 度1 1 ．3 米。因此在进行结构计算时必须近可能的模拟结构的真实情况。采用s A l r 、ⅣE 程序计算，将转换 层楼板和结构核心筒部分楼板按弹性楼板考虑，消除了复杂结构体系按刚性楼板假定计算带来的误差。 对于复杂结构体系，如本工程刚度分布很不均匀，大面积的剪力墙需要转换，在核心筒处还存在薄弱环 节，其振动特性与规则结构体系已有很大不同，若仍采用刚性楼板假定模拟，得出的误差将是相当大的。 这时薄弱部分的刚度将被同层刚度较大结构所覆盖。考察计算结果中各振型对地震力的贡献，部分周期 对应的是局部薄弱环节的振动，所以振型组合时不能按常规方法依次选取前面几个周期较大的振型，结 构的主振周期应为对地震剪力贡献最大的振型所对应的周期【2 J 。因此在计算中应选取足够多的振型数， 才能正确得出结构的振动特性。由于L 型平面对平扭耦联反应较大，在程序中同时考虑扭转耦联，这不 同于以往只考虑两垂直方向的平移振动，而是考虑了各方向位移间的相互影响，且是一种自由振动，所 产生的各振型、周期均是空间的【引。 表1 自振周期 结构自振周期 括号内为平动因子扭转与平动 lf B 一 T lT 2T 3 周期比值 T - 1O ．4 8 72 ．3 1 4 2 1 ．o o 2 ．1 1 5 4 0 ．6 7 1 ．9 5 0 8 O ．3 3 0 ．8 4 3 T - 2O ．3 9 72 ．2 6 9 3 1 ．o o 2 ．0 7 3 8 0 ．6 2 1 ．9 0 7 0 O ．3 8 O ．8 4 0 T - 3O ．2 7 62 ．2 3 7 4 1 ．o o 1 ．9 2 8 3 O ．9 7 1 ．8 8 4 0 O ．0 3 0 ．8 4 2 T ．A2 ．2 5 5 8 O ．9 8 2 ．0 4 3 3 0 ．9 7 1 ．8 5 6 3 O ．0 4 O ．8 2 3 T - B2 ．3 7 4 5 1 ．0 0 2 ．3 1 2 4 1 ．o o 1 ．7 9 9 l 0 ．0 1 O ．7 5 8 1 二A 2 ．3 7 0 8 0 ．9 4 2 ．2 4 2 5 1 ．o o 1 ．9 8 7 0 0 ．0 6 O ．8 3 8 表2 剪力计算结果 重力荷载底部剪力Q k N 底部宣孽重比最大底部剪力振型振型参与系数 代表值G Q ／G ％ ％ 1 斟 X 向Y 向X 向Y 向X 向Y 向x 向Y 向 T - l4 3 5 6 1 71 1 1 5 1 ．8 1 0 9 6 7 ．32 ．5 62 ．5 2 第5 振型第1 振型 9 9 ．6 59 9 ．8 9 T - 24 0 3 6 6 51 0 4 9 5 ．3 1 0 4 1 9 ．32 ．6 02 ．5 8 第8 振型第l 振型 9 9 ．9 2 9 9 ．6 8 T - 33 8 0 5 9 31 0 7 3 2 ．7 1 0 4 1 9 ．32 ．8 22 ．7 4 第2 振型第1 振型 9 9 ．8 6 9 9 ．9 8 T - A3 8 3 4 8 99 1 6 5 ．3 9 1 0 8 8 5 ．62 ．3 92 ．8 4 第l 振型第6 振型 9 4 ．1 89 1 ．1 1 T - B1 1 2 1 5 72 6 0 2 ．0 6 2 6 2 2 _ 3 92 ．3 2．2 ．3 4 第2 振型第l 振型 9 8 ．5 79 9 ．0 7 1 A 3 6 0 2 8 l7 9 2 6 ．2 0 9 2 8 6 ．5 02 ．2 02 ．5 8 第1 振型第2 振型 9 3 ．8 l9 3 ．2 0 ．5 2 7 ． 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 8 年 表3 地震作用下位移和刚度计算结果 最大水平位移与转换层上下层间侧向刚度比 最大层间位移角D 。加 层间水平位移平结构侧向刚 转换层／转换转换层下一 均值比度比层上一层层／转换层 X 向Y 向X 向Y 向x 向Y 向X 向Y 向X 向Y 向 T - l1 ／1 2 9 8 1 7 层1 ／1 2 1 l 1 5 层 1 ．3 5 1 ．1 30 ．9 5 61 ．0 2 9O ．6 4 6 0 ．7 0 4 1 ．0 8 21 ．2 9 2 T - 21 ／1 3 4 3 1 5 层l ／1 3 4 8 2 1 层1 ．2 41 ．1 20 ．8 7 21 ．0 3 8O ．6 1 40 ．7 2 31 ．2 8 5l - 3 6 9 T - 3l ／1 6 9 6 1 5 层l ／1 6 5 0 1 4 层1 ．1 31 ．0 7O ．7 9 11 ．0 1 3O ．6 0 90 ．8 0 4I ．2 7 01 ．3 9 7 ■Al ／1 1 9 7 1 l 层1 ／1 3 5 7 1 9 层1 ．0 71 ．1 4O ．5 5 20 ．6 8 51 ．1 8 l1 ．1 6 8O ．9 0 41 ．3 4 9 T ．B 1 ／1 1 7 2 1 2 层l ／1 1 3 3 1 2 层 1 ．0 61 ．0 2 T - A 1 ／1 1 6 3 1 2 层 l ／1 2 0 9 1 6 层1 ．1 11 ．1 5O ．6 1 60 ．8 9 51 ．1 0 00 ．7 9 9O ．9 4 01 ．2 3 0 从表1 可以看出对于丁一1 、r 一2 、丁一3 通过增加结构平面的角部剪力墙，增加结构的抗扭刚度， 可以把扭转与平动周期比值都限制在0 ．8 5 以下，从表2 可以看出，丁一l 、丁一2 最大底部剪力所在的振 型并不都是第一、第二振型，这也反应了其平面的不规则性，表3 中最大水平位移与层间水平位移平均 值比采用了刚性楼板算法，可以看出丁一3 要明显优与丁一1 。丁一1 、丁一2 、丁一3 的主要差别尤其体 现在转换层以上墙体的应力分布上，丁一1 转换层以上墙体的应力分布很不规则，超筋现象严重，转换 层以下墙体也有应力集中现象，而转换层部位的墙体应力分布对转换结构的性能至关重型4 】。对于r l l r ／召。。。 o ．4 8 7 ，大于0 ．3 5 ，属于平面凸角不规则；楼层最大弹性水平位移、层间位移大于该层两端弹性 水平位移、层间位移平均值的1 ．2 倍，属于平面扭转不规则；同时又由于设置转换层，竖向抗侧力构件 不连续。根据规范【5 J 本项目属于严重不规则建筑，即为超高限建筑工程。由于减少，的长度，将大幅减少 建筑的使用面积，不利于合理的利用空间资源，设计中又提出了如图3 b 的设抗震缝方案。抗震缝把原塔 楼分割为塔楼A 和塔楼B 两个部分，同时裙房也被分割为两个部分。塔楼处的缝宽3 0 0 m m ，群房处缝宽 1 0 0 m m 。抗震缝自地下室顶板以上分隔，地下室顶板保持良好的整体性和刚度，能够将上部结构地震作 用有效地传到地下室结构。对于多个塔楼仅通过地下室连为一体，每栋塔楼 包括带局部小裙房 均设 防震缝分开，分属不同的结构单元，可以不认为是大底盘多塔结构1 6 J ，为防止几种复杂体型应用与同一 工程，保证结构设计的安全性，我们取消了塔楼B 的转换梁，改塔楼B 为普通剪力墙结构，而塔楼A 仍为 框支转换结构，分别对丁一彳、丁一B 单独分析，可以看出丁一B 改为普通剪力墙结构后，其扭转作用 大大减少，计算结果非常理想。而塔楼A 由于取消了平面凸出部分，其扭转作用也减轻很多，但是由于 塔楼严重的偏于大底盘的一侧，刚度中心和质量中心不能较好的重合，经过对塔楼上部墙体的优化及对 裙房墙体的调整，尽量使两者靠近。丁一彳为其计算结果，可以看出由于裙房墙体的调配，转换层上下 结构侧向刚度比已经小于l ，下部墙体较多。r 一彳’为优化的塔楼A 模型，其取消了塔楼A 核心筒西侧的 转换结构，使上部剪力墙落地，减少了转换，使侧向刚度比更为合理。 对r 一彳、丁一B 进行双塔楼整体验算，计算结果前三个周期的数据为2 ．5 5 2 3 s 、2 ．4 8 8 5 s 、2 ．4 3 2 2 s ， 比单独计算时的周期略大。从表4 中数据可以看出按双塔楼计算时由于刚度不均匀，高低振型对总的基 底剪力都起着比较主要的控制作用，同时也说明对于多塔计算模型的结构，结构整体计算时应选取较多 的振型数进行地震作用分析。而对于刚度较均匀的单塔结构丁一曰，一般来说它的主振型就出现在前几 个振型中，它们对基底剪力的贡献显著。各计算结果表明在地震作用和风作用下产生的位移整体计算与 分别计算相差不大。对于各塔楼上部结构平面，不同的计算模型对于各墙、梁的配筋影响不大，但对于 两塔相邻处的剪力墙在地下室顶板上一层的纵筋配筋应该考虑塔间影响，作出适当调整。而对转换层以 下一层裙房楼面，由于水平地震作用的影响，丁一曰对应的裙楼按整体计算的结果要比按单塔楼计算结 果略大，而丁一彳’则是按单塔楼计算的结果要比按整体略大。由此可见，按整体分析，控制构件设计的 ．5 2 8 ． 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 8 年 层地震剪力是有变化的，并且反映在结构设计中，所以在具体的设计计算中应该考虑这方面的影响。 5 、结构措施 表4 各振型下的基底剪力 仅列出大于1 5 0 k N 的剪力 k N 振型丁一彳’ r B丁一彳’T B X 向Y 向X 向Y 向X 向Y 向 11 0 9 2 ．4 94 3 5 5 ．6 74 8 0 2 ．9 28 4 4 ．1 61 9 0 0 ．6 8 22 2 3 6 ．0 43 1 8 ．2 44 6 9 4 ．0 3 1 8 2 2 ．1 9 35 2 2 5 ．3 2 1 1 7 3 ．8 84 0 3 ．9 0 4 1 6 6 8 ．7 83 6 4 3 ．1 13 2 7 ．5 41 2 3 0 ．3 4 52 0 4 ．2 02 0 9 ．0 l1 3 2 3 ．2 43 7 6 0 ．5 01 4 5 4 ．9 5 63 8 7 6 ．9 3 73 2 4 4 ．8 84 5 3 ．6 02 4 5 0 ．1 63 3 8 ．5 55 7 6 ．3 7 8 1 2 1 6 ．1 4 1 0 1 5 ．8 2 97 4 9 ．0 l4 4 5 3 ．1 72 1 5 3 ．9 54 9 2 ．3 9 1 04 4 8 ．7 49 5 6 ．3 57 4 0 ．6 45 1 2 ．4 1 1 l1 4 4 9 ．5 61 9 2 ．6 2 1 25 4 2 ．7 02 3 5 ．9 4 1 33 4 3 5 ．6 23 0 0 ．7 52 7 1 ．8 2 1 42 2 0 ．5 32 3 7 ．4 7 1 5 4 5 9 ．3 3 2 5 7 ．3 64 2 9 ．6 3 1 68 3 9 ．5 93 8 0 ．8 52 3 1 ．7 3 1 72 6 7 7 ．5 2 2 2 1 ．5 3 1 8 5 3 0 ．7 39 6 8 ．1 62 0 0 ．3 9 1 91 0 2 0 ．3 14 2 1 ．9 7 2 04 7 5 ．6 02 2 3 ．1 2 2 l 2 21 8 2 ．5 3 3 0 4 ．2 l 2 35 6 8 ．3 8 2 42 6 7 ．7 0 2 52 6 3 ．9 3 2 62 6 0 ．7 0 2 71 6 2 ．2 5 在综合了几个整体分析结果进行结构设计外，还采取了以下构造措施 1 转换层上两层墙体取消了部分剪力墙开洞，并增加了剪力墙的厚度。 2 框支转换层以下的剪力墙厚度适当加厚，除转换层以上落下的剪力墙以外，在某些位置补加了部分 剪力墙，一方面加强转换层以下的侧向刚度，另一方面尽量调整转换层以下的质量中心和刚度中心位置， 减少裙房部位的扭转效应。 3 剪力墙尽量使用L 型和T 型，尤其是在角部取消了转角窗的布置，L 型剪力墙与框支柱相连，增加 角部的抗侧刚度。 ‘ 3 转换梁及框支柱采用型钢混凝土，并加大了框支柱的混凝土强度等级，有效的减少了柱子的截面尺 寸，避免短柱效应，同时增加了框支柱和转换梁的延性。 4 在核心筒的角部开有槽口，造成了此处的楼板不连续，为保证水平力的可靠传递，采取了在每个槽 口敞开端层层设置拉梁，且该拉梁按剪力墙间连梁配筋。在核心筒部位由于电梯井设备井楼梯开洞较多， 大大削弱了楼板平面的整体刚度。对此处楼板进行了适度加强。 5 地下室顶板做为上部结构的嵌固部位，为保证能将上部结构的地震作用传递到全部地下室抗侧力构 ．5 2 9 ． 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 8 年 件，对地下室顶板设计中进行了适度加强。 6 、结语 1 平面的不规则性对结构的扭转效应显著，在无法改变建筑平面的情况下可通过设置抗震缝把结构断 为两个单体来减少扭转效应，但是设置抗震缝以后结构发生了新的变化，带来的其它不利影响在设计中 应予以足够重视。 2 上部结构形式、上部结构开洞情况，上部结构与转换梁的相对刚度和转换梁与下部支承结构的相对 刚度、转换层上下部的质量与刚度偏心等因素交叉影响，使得转换梁受力比较复杂。必须把转换层及其 上下部结构视为一个整体进行分析。 3 在进行大底盘整体分析时，由于振犁的不对称性及不同塔楼的塔间影响，整体计算与单独计算有部 分差异，在进行结构设计中，应综合考虑单体计算和整体计算的结果。 4 对于地震区的高位转换宜采用型钢混凝土框支柱和转换梁，充分保证该类构件的抗震耗能能力，提 高结构的可靠度。 参考文献 【1 ] 吕西林，李学平．超限高层建筑工程抗震设计中的若干问题叨，建筑结构学报，2 0 0 2 ； 4 1 3 ～1 8 【2 】修龙，诸火生，何广乾等．北京中国银行总部大厦结构设计【J 】，建筑结构学报，2 0 0 2 ； 8 7 5 7 9 【3 】高振世．建筑结构抗震设计【M 】．北京中国建筑工业出版社，1 9 9 9 【4 】赵鸿铁，胡安妮．高层建筑转换层结构形式选择影响因素的统计分析阴， 西安建筑科技大学学报，2 0 0 0 ； 3 1 2 1 5 【5 】建筑抗震设计规范 G B 5 0 0 1 1 ．2 0 0 1 ．北京中国建筑工业出版社，2 0 0 l 【6 ] 张维斌．多层及高层钢筋混凝土结构设计释疑及工程实例【M 】．中国建筑工业出版社，2 0 0 5 5 4 ～5 5 ．5 3 0 _