混凝土转换层大梁设计的几个问题讨论
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1、问题的提出
近年来,带转换层的复杂高层建筑大量出现,且形式多样,特别是采用混凝土转换层大梁的高层结构应用十分广泛。然而,在此类转换层大梁的设计中,经常出现一些带争议性的问题。例如:凡混凝土转换层大梁是否均需严格执行《高层建筑混凝土结构技术规程》(以下简称为《砼高规》)第10.2.8条(强制性条文)关于框支梁配筋构造的要求、局部转换是否属于带转换层的高层建筑、转换大梁的平面外受力问题等。
《砼高规》第10.2.8条(强制性条文)规定“框支梁设计应符合下列要求:
(1)梁上、下部纵向钢筋的最小配筋率,非抗震设计时分别不应小于0.3%;抗震设计时,特一、一和二级分别不应小于0.6%、0.5%和0.4%;
(2)偏心受拉的框支梁,其支座上部纵向钢筋至少应有50%沿梁全长贯通,下部纵向钢筋应全部直通到柱内;沿梁高应配置间距不大于200mm、直径不小于16mm的腰筋;
(3)框支梁支座处(离柱边1.5梁截面高度范围内)箍筋应加密,加密区箍筋直径不应小于10mm,间距不应大于100mm。加密区箍筋最小面积含箍率,非抗震设计时不应小于0.9ft/fyv;抗震设计时,特一、一和二级分别不应小于1.3ft/fyv、1.2ft/fyv和1.1ft/fyv。”
该条文十分明确地提出了对框支梁配筋构造的要求,特别是该条文的第(1)款中梁上部纵向钢筋最小配筋率,一般情况均大于第(2)款上部纵向钢筋至少有50%沿梁全长贯通时的配筋率,对于某些仅抬柱的转换梁确有不合理之处,但框支梁的定义又如何判定?
《砼高规》第10.2.2条规定“底部大空间部分框支剪力墙结构在地面以上的大空间层数,8度时不宜超过3层,7度时不宜超过5层,6度时其层数可以适当增加;底部带转换层的框架――核心筒结构和外筒为密柱框架的筒中筒结构,其转换层位置可适当提高”。对于局部转换的高层建筑,即在建筑中仅有小部分区域采用了转换梁,是否该结构就是带转换层的高层建筑结构,必须执行上述条文规定,并列于超限高层抗震审查的超限项。
《砼高规》第10.2.10条规定:“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。”带转换层的复杂高层建筑绝大部份情况下,上部结构布置复杂,主转换梁抬次转换梁的现象突出,而有些设计人员照搬计算机给出的计算结果进行设计,缺乏对其进行应力分析的习惯,当设计使用年限内一旦出现最不利荷载作用时,难已达到设计的预期目标,是存在着严重安全隐患的。
上述问题虽然国内有不少学者进行了大量的研究和探讨,但在我们工程设计中某些情况下确未能准确的把握。本文引用相关专家教授的研究成果,与从事建筑工程设计的同行们交流讨论。
2、转换层大梁的受力性能分类及构造措施
砼转换层大梁根据上部被转换构件的情况,可以分为三类:第一类:被转换的剪力墙(包括局部开洞的剪力墙)沿梁长方向全跨布置的转换梁;第二类:被转换剪力墙沿梁长方向部分布置的转换梁,剪力墙可能布置在支座处,也可能布置在跨中,剪力墙相对梁跨可能较长,也可能较短;第三类:被转换构件为柱的转换梁。上述三类转换梁的作用均是将上部竖向构件的内力传递到下部框支柱上,在我们的设计中绝大多数情况下,将上述三类转换层梁统均作框支梁对待,但是其受力性能和破坏形态却有着较大差别。魏琏等教授在该方面进行了大量实验研究,并在《建筑结构》杂志2001年第11期发表了他们的研究成果。
研究成果表明,第一类转换梁与上部结构剪力墙紧密相连,转换梁的变形、受力受到上部剪力墙结构的直接制约和影响,二者共同作用。这种相互作用使转换梁与一般受弯梁的受力大相径庭,因为上部剪力墙已与转换大梁形成了同一受力构件。在竖向荷载作用下,框支剪力墙转换层的墙体出现拱效应, 两支座处竖向应力大, 同时存在水平推力, 下部转换层梁还要起到拱的拉杆作用,在竖向荷载下除了有弯矩、剪力外,还有轴向拉力。该轴向拉力沿梁全长不均匀分布, 跨中处大,支座处减小。框支柱除受有弯矩、轴力外,还承受较大的剪力,如图1所示。
图1完全框支梁内力
第二类转换梁,梁上部的剪力墙并未全跨布置,仅布置部分剪力墙,在布置上还存在着两种情形:一是墙体布置在梁的两端,墙体一部分作用在柱上,另一部分作用在梁上,墙体与梁的受力较复杂,当墙支长度为转换梁跨度的4/10时,转换层梁中部截面可能出现轴向拉力,应考虑转换梁与墙体的共同工作。但其受力特点与第一类转换梁有较大的区别。二是墙体布置转换梁净跨中,墙长对转换梁与上部墙体是否共同工作起着关键的作用,当墙长度B≤2.5L/10时(L为转换梁跨长),可不考虑转换梁与墙体的共同工作;当墙长度为B>2.5L/10时,应考虑转换梁与墙体的共同工作。
第三类转换梁,柱的刚度相对于转换梁来说很小,柱与梁整体效应很小,仅相当于一个集中荷载作用在梁中,此时弯矩如图2所示。转换梁的内力与集中荷载作用下的普通框架梁基本相同。上述第二类部分墙体布置在转换梁净跨中,且墙长度B≤2.5L/10时(L为转换梁跨长),其内力接近于如图2所示。
图2第三类转换梁弯矩分布示意图
根据上述魏琏教授对不同类型的转换梁内力分析,笔者认为对于承受满布剪力墙的转换梁和承受部分剪力墙且墙支长度B>2.5L/10的转换梁属于偏心受拉构件,应按《砼高规》中的框支梁定义,并严格遵守该规范第10.2.8条(强制性条文)的相关规定进行配筋构造。而对于承受位于跨中的剪力墙且墙长度B≤2.5L/10时(L为转换梁跨长)的转换梁和托柱的转换梁,其受力性能与普通框架梁相同,如果不加分析的将转换梁统一按照偏心受拉构件来分析,显然是不合理的。转换层的受力特征与上部墙柱构件是否共同作用以及怎样共同工作息息相关,这是正确解决转换层梁计算与构造的方法的关键。笼统照搬《砼高规》第10.2.8条框支梁的配筋构造规定,特别是按规定第(1)款的要求,上部纵向钢筋最小配筋率,非抗震设计时分别不应小于0.3%;抗震设计时,特一、一和二级分别不应小于0.6%、0.5%和0.4%;对于仅抬柱或抬跨中短支剪力墙的转换梁是不合理的,除了造成不必要的浪费外,在设计概念上有失偏颇。
3、局部转换和转换层的区别
由框支剪力墙和其他落地剪力墙满足一定间距要求组成的底部大空间部分框支剪力墙结构,当地面以上的大空间层数越多,即转换层位置越高时,转换层上下刚度突变越大,层间位移角和内力传递途径突变加剧。根据《砼高规》的条文说明:转换层位置较高时更易使框支剪力墙结构在转换层附近刚度,内力发生突变,并易形成薄弱层,其抗震设计概念与底层框支剪力墙结构有一定差别。转换层较高时转换层下部落地剪力墙及框支结构易于开裂和屈服,转换层上部几层墙体易于破坏。规定9度区不应采用;7度、8度区可以采用,但限制部分框支剪力墙结构转换层的位置;7度时不宜超过5层,8度区不宜超过第3层。因为转换层位置较高的高层建筑不利于抗震,限制转换层设置高度是十分必要的。若实际工程需要,转换层位置超过规范要求时,应进行抗震分析,确保结构安全。必要时还应进行超限高层建筑工程抗震设防专项审查。但当高层结构竖向构件仅出现局部转换,未形成薄弱层,且能满足《砼高规》第4.4.2和4.4.3条的相关要求,即楼层侧向刚度不小于相邻上部楼层侧向刚度的70%或其上相邻三层侧向刚度平均值的80%;楼层间抗侧力结构的受剪承载力不小于其上一层受剪承载力的80%,说明此类局部转换对结构的整体刚度、楼层抗剪承载能力影响较小。如高层剪力墙结构住宅,设计时将其中一～两片剪力墙进行转换,经过计算对比,转换后楼层上下层的刚度、楼层受剪承载力变化较小,结构的整体受力性能未出现重大的改变。结构仅局部设有转换梁,不存在一个结构转换层,因此能否不将它列为规范中带转换层的复杂高层建筑,其适用范围和适用高度可以不受规范带转换层的复杂高层结构的约束,只需对转换层大梁以及被转换的构件采取抗震验算和抗震加强措施。
4、转换大梁的平面外受力特性
《砼高规》第10.2.10条中对结构竖向布置复杂的转换层大梁明确规定:“应进行应力分析,按应力校核配筋并加强配筋构造措施”。带转换层的高层建筑,当上部平面复杂而采用框支主梁承托剪力墙,并承托转换次梁及其上部剪力墙时,这种多次转换,其传力途径的复杂性暂且不论。相关试验研究表明,框支主梁承受较大的剪力、扭矩和弯矩,特别是框支主梁最易产生受剪破坏。下面几个显而易见的力学概念问题足以证明在我们的设计中进行应力分析的必要性。例如:三十层的部分框支剪力墙结构,为了满足建筑要求,的剪力墙一般与框支梁的外边缘平齐,墙中心线与梁中心线的偏心有些可达400mm,产生的扭距可高达1200kN.m,转换层楼板对梁的扭距虽然有一定的平衡作用,但不足以平衡如此大的扭距。一些工程因设计未对其进行应力分析曾出现过扭曲裂缝的情况。还有,对于满布剪力墙的转换次梁会对支座产生水平推力,水平推力会使转换层主梁产生的平面外弯矩,使主梁处于复杂的应力状态之中。但目前设计中常用的国产软件如PKPM、广厦,在高层结构的整体分析中,对框支梁是进行了很多简化假定,其计算结果与实际受力状态存在较大差别。因此,在工程设计中应利用能进行应力分析的有限元软件,对主要的转换梁,采用合理的边界模拟条件,选用适当的单元类型进行应力分析。并据此采取合理可靠的构造措施,如按规范设置转换层的板厚,在平面外增设次梁以平衡平面外弯矩,加大框支梁截面或配置抗扭钢筋等。