浅谈带转换层高层结构抗震计算

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摘要：本文结合案例阐述了某大厦采用主次框支梁转换结构抗震计算及解决方案，计算结果满足设计要求。

关键词：框支转换层；抗震计算；计算分析

建筑抗震是指根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想，依此进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程。明确建筑的抗震设计，有助于明确抗震设计思想，灵活、恰当地运用抗震设计原则，使设计人员不至于陷入盲目的计算工作，从而做到比较合理地进行抗震设计。

1工程概况

某高层建筑占地面积23839m2，建筑面积65281.34 m2，地下二层，地上三十一层。每栋建筑成为独立塔楼。地下室连为一个整体，基础采用筏板基础，基础持力层为强风化板岩。建筑嵌固端设在地下室厚180mm顶板上，地下室与上部结构的剪切刚度比大于2，满足嵌固条件。裙房为现浇混凝土框架结构，各层楼板采用普通梁板结构。建筑在地上第二层采用框支框架对二层以上剪力墙进行转换。本工程地震设防烈度7. 5度，抗震设防类别为丙类，剪力墙抗震等级为二级，框支框架抗震等级为一级。场地土属于中软场地土，建筑场地类别为Ⅱ类。

2结构选型

为满足建筑功能以及设备管线布置空间需要，转换层层高4450mm，转换层以上层层高27 00mm。转换层下部结构起止层号为1~2，高度9. 9m，转换层上部结构起止层号为3~5层，高度为8. 5m，转换层结构上下剪弯刚度比X向1.15，Y向1.18，小于规范1.3的限值。转换构件混凝土强度等级采用C50，落地部分剪力墙采用C50。典型框支柱尺寸800×800 ，1000×1000，1100×1100。转换主梁800×1300，1000×1600，转换次梁面700×1200。

本工程结构布置有如下特点：

1)剪力墙只有楼梯间、电梯间以及两侧山墙落地，落地剪力墙的最小间距L=14.05m，满足l

2)除上述落地墙体外，其余墙体均采用转换梁承托。由于建筑平面布置复杂，为实现竖向构件的转换，框支转换梁将承托剪力墙并承托转换次梁及其上剪力墙，即出现二次转换的现象，局部会出现三次转换。高规明确规定转换层上部的竖向抗侧力构件(墙、柱)宜直接落在转换层的主结构上。当结构竖向布置复杂，框支主梁承托剪力墙并承托转换次梁及其上剪力墙时，应进行应力分析，按应力校核配筋，并加强配筋构造措施。

3)由于建筑功能要求框支梁中心不能同上部剪力墙中心重合，这将加大框支梁所受的扭矩。同时为了设备预留空间等转换层楼板局部需要错层布置，按照高规规定框支层周围楼板不应错层布置，这样的结构布置对框支梁的抗扭存在不利影响。合理计算评估结构的抗震性能以及准确计算重要构件的受力是本工程计算的关键，以能够保证结构的安全。

3计算分析

3. 1弹性分析

本工程分别采用SATW E ， ETABS软件进行了整体计算分析。计算参数选择如下：地震烈度为7. 5度，Ⅱ类场地土，水平地震影响系数最大值多遇地震为0. 12，罕遇地震为0. 72。周期折减系数为0. 9，连梁刚度折减0. 8，中梁刚度放大系数取2；结构阻尼比为5. 0% ；剪力墙抗震等级均为二级，框支框架抗震等级为一级。在计算位移等参数时采用考虑刚性楼板作用假定，同时考虑偶然偏心作用，其计算结果见表I。对计算构件内力及验算配筋时，对转换层楼板采有弹性楼板假定，以对拉弯受力为主的转换梁的轴向内力合理分析。结构计算结果对比见表1所示：

通过对比计算：1)结构以扭转为主的第一自振周期T2与以平动为主的第一自振周期T1之比分别为0.88和0.73，均小于0.90，满足高规有关要求；2)底部总剪力合理，地震剪力系数满足抗震规范要求；3)最大的层间位移和顶点位移与层高之比均小于1/1 000，位移比小于1. 5，满足规范要求。位移比大于1.2，说明结构平面存在扭转效应，但出现最大位移比的位置绝对位移角较小，均小于1/3000。故只采取在计算结构内力时考虑双向地震等措施。

3. 2中震验算及抗震性能评估

本工程采SATWE验算框支梁等重要构件在中震作用下配筋，中震最大地震影响系数取为0.33，地震作用效应的组合依照高规，但分项系数均取为1.0，计算不考虑地震组合内力调整系数，即取消强柱弱梁、强剪弱弯调整系数，构件承载力计算时材料的强度取标准值。中震弹性计算不考虑地震组合内力调整系数，即取消强柱弱梁、强剪弱弯调整系数，但采用作用分项系数、材料分项系数和抗震承载力调整系数，构件承载力计算时，材料强度采用设计值。材料强度采用设计值。同时不组合风荷载作用，连梁刚度折减取0.5。

根据结构抗震性能的评估，该结构能够满足其抗震设防目标，当遭受多遇地震时，不受损害可继续使用；当遭受相当于本地区设防烈度的地震影响时，部分框架梁、连梁和非加强区墙肢受损，但主要竖向受力构件、框支柱以及框支梁保持弹性，经一般修理可继续工作。当遭受罕遇地震时不致倒塌。

3.3转换层构件分析

本工程中转换构件采用主次梁转换结构，转换层楼板在主体与裙房相交位置局部存在700mm高差，且转换上部墙体同转换梁不能够做到中心对位，存在偏心。为了进一步分析这些不利构造对结构的影响，尤其是对转换构件抗扭的影响，采用了通用有限元程序SAP2000对结构进一步分析。通常的结构分析软件(如SATWE ， ETABS)不含有实体单元，采用杆元或壳元模拟转换梁，因而不能对上述的转换结构进行细致的有限元计算。而以往采用通用有限元程序利用实体单元分析转换层时，通常的做法是将转换层从整体模型脱离，缺点是很难做到脱离体模型与整体模型在边界条件和加载条件上的一致，计算存在偏差。本工程采取建立整体结构模型，利用实体单元模拟转换梁，壳元模拟楼板，一般梁柱采用杆元的方法。由于在SAP2000的实体单元节点自由度不包含转动自由度，为了传递转换层楼板和框架对转换梁的弯矩，模型中采用刚性杆来传递。在模型中真实建立局部错层楼板、转换梁上部墙体偏心等细节，并对墙体、楼板和转换梁采用自动线约束，保证位移协调。转换梁结构单元长度取1 000 mm，能够保证结构受力分析的真实可信，能够满足计算精度。实体元模型(SAP2000)与杆壳元模型( SATWE)主要计算结果如表2所示。

计算结果表明两种计算模型在自振周期、自重以及地震总剪力等计算结果相差不大，说明结构自身特性以及受力边界条件上是一致的。

KZL5为中梁，上部墙体与转换梁中心对齐，两侧楼板不存在高差，位于梁的顶部。KZL4为楼板错层位置，与上部墙体偏心175mm。从转换梁的内力对比，实体元模型的梁扭矩明显大于杆壳元模型的计算结果，其中KZL4的扭矩偏差相对要大一些。可以表明楼板在转换梁的中部对抗扭的作用要弱于楼板在转换梁顶部的情况，同时转换梁上部墙体的偏心增大了对转换梁扭矩。

在结构设计时考虑楼板对梁扭转的约束作用时一般采用对梁的扭矩进行折减，当程序没有考虑楼板对梁扭转的约束作用时，梁的计算扭矩偏大，在实际配筋时应予以适当的折减。梁扭矩折减系数一般可取0.4。本文所述位置的转换梁采用通常的折减系数，对转换梁梁偏于不安全。

本工程转换层楼板厚取为180mm，转换层楼板在两个方向地震作用下应力计算结果，表明在楼板在有高差的局部位置以及楼梯电梯开洞位置，在地震作用下出现较大拉应力，X向地震作用下最大拉应力9.9MPa， Y向地震作用下最大拉应力4.7MPa，楼板大部分受拉，其平均拉应力在0~1MPa的范围内在楼板配筋时针对相应位置应予以加强。

4结束语

在采用没有考虑楼板对梁的抗扭作用的计算程序时，对转换结构工程中转换梁的计算分析，应该考虑楼板错层，墙体偏心等不利因素。此时的转换梁的扭矩折减系数的选取应慎重，同时也应加强相应位置的构造措施。建议在建筑功能不受影响的前提下优先考虑箱型转换梁等整体抗扭性能优越的转换构件。

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