李金石

摘 要：本文主要針對(duì)轉(zhuǎn)換層剪力墻結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度的計(jì)算方法展開了探究，簡(jiǎn)要介紹了高規(guī)JGJ3‐2002、JGJ3‐2010的計(jì)算方法，對(duì)新的計(jì)算方法及與高規(guī)法的溝通作了系統(tǒng)闡述，并結(jié)合了具體的算法案例，以期能為有關(guān)方面的需要提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：高層建筑轉(zhuǎn)換層；層側(cè)向剛度；計(jì)算方法

0 前言

所謂的轉(zhuǎn)換層，是指建筑物某層的上部與下部平面使用功能不同，該樓層上部與下部采用不同結(jié)構(gòu)類型，并通過該樓層進(jìn)行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)。而剪力墻，是指房屋或構(gòu)筑物中主要承受風(fēng)荷載或地震作用引起的水平荷載和豎向荷載的墻體?；诖?，本文就轉(zhuǎn)換層剪力墻結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度的計(jì)算方法進(jìn)行了探究，相信對(duì)有關(guān)方面有一定的幫助。

1 高規(guī)JGJ3‐2002、JGJ3‐2010的計(jì)算方法

老高規(guī)和新高規(guī)對(duì)轉(zhuǎn)換層上下結(jié)構(gòu)層側(cè)向剛度均近似采用層所有剪力墻豎向構(gòu)件只考慮柱假設(shè)兩端無轉(zhuǎn)動(dòng)和剪切變形，只考慮彎曲變形的近似層總側(cè)向剛度計(jì)算公式，

（1）

式中， ； Awi為第i層全部剪力墻在計(jì)算方向的有效截面面積；hi為i層層高；G為i層剪力墻混凝土的剪切彈性模量。

當(dāng)樓層內(nèi)有柱時(shí)，式Ai中尚應(yīng)包括柱兩端假設(shè)無轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的側(cè)移剛度，近似用下式表示：

（2）

（3）

式中：hcij為第i層第j根柱沿計(jì)算方向的截面高度。

高規(guī)明確規(guī)定當(dāng)轉(zhuǎn)換層在1、2層時(shí)可采用轉(zhuǎn)換層與其相鄰上層結(jié)構(gòu)的等效剪切剛度比表示轉(zhuǎn)換層上、下層結(jié)構(gòu)剛度的變化。

當(dāng)轉(zhuǎn)換層在1層時(shí)，

（4）

式中，h1、h2分別為1層2層的層高。

當(dāng)轉(zhuǎn)換層在2層時(shí)，

（5）

式中，h3為3層的層高。

以上公式表明，高規(guī)轉(zhuǎn)換層層側(cè)向剛度是假定該樓層所有剪力墻豎向構(gòu)件僅考慮剪切變形來求得側(cè)向剛度，其中柱子假設(shè)兩端無轉(zhuǎn)角產(chǎn)生相對(duì)單位側(cè)移時(shí)的剪力為其側(cè)向剛度。

這一計(jì)算方法的優(yōu)點(diǎn)是把結(jié)構(gòu)層側(cè)向剛度以僅與結(jié)構(gòu)層豎向構(gòu)件自身幾何物理屬性有關(guān)的形常數(shù)來表達(dá)，而與外荷載無關(guān)，這是正確的，但此法實(shí)質(zhì)上是對(duì)層豎向構(gòu)件兩端的轉(zhuǎn)動(dòng)約束假設(shè)為無限剛約束且假設(shè)整個(gè)水平構(gòu)件為無轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，層產(chǎn)生單位側(cè)移 時(shí)，這與實(shí)際情況不相符合，尤其是在轉(zhuǎn)換層的上層和下層，其水平構(gòu)件的抗彎剛度一般都不大，與假設(shè)無限剛相去甚遠(yuǎn)，即使轉(zhuǎn)換層梁板自身抗彎剛度較大，也和無限剛假設(shè)有較大差距，因此這一計(jì)算方法的合理性和準(zhǔn)確性尚需進(jìn)一步的研究。

2 新的計(jì)算方法及與高規(guī)法的溝通

當(dāng)轉(zhuǎn)換層在一層時(shí)，轉(zhuǎn)換層處產(chǎn)生單位水平位移 時(shí)，所需施加的水平力，即為該層的側(cè)向剛度k1，當(dāng)轉(zhuǎn)換層在二層時(shí)，一層無側(cè)移 ，轉(zhuǎn)換層處產(chǎn)生水平位移 時(shí)，所需施加的水平力即為該層的層側(cè)向剛度k2。

以上方法既考慮了層豎向構(gòu)件的受力特性，也考慮了豎向構(gòu)件兩端實(shí)際的轉(zhuǎn)動(dòng)約束，因而是比較合理的?？紤]到轉(zhuǎn)換層上下層豎向構(gòu)件兩端的約束與無限剛假定相差甚遠(yuǎn)，可以判定現(xiàn)高規(guī)計(jì)算方法求得的層側(cè)向剛度計(jì)算結(jié)果必然偏大，有時(shí)會(huì)偏大很多，這是設(shè)計(jì)時(shí)值得注意的，為了更清楚地闡明這個(gè)問題，可對(duì)兩法作進(jìn)一步的溝通。

高規(guī)法計(jì)算轉(zhuǎn)換層層側(cè)向剛度時(shí)，將轉(zhuǎn)換層及相連上層或下層水平構(gòu)件假定為無限剛，并只計(jì)算層剪力墻豎向構(gòu)件的剪切變形導(dǎo)出的層側(cè)向剛度計(jì)算公式，而新方法則不但計(jì)入了轉(zhuǎn)換層自身及相鄰的上下層水平構(gòu)件彎曲變形，還計(jì)入了層豎向構(gòu)件的彎曲變形影響，不但在理論上較為合理，而且適當(dāng)簡(jiǎn)化后還可以與高規(guī)法相互均通?，F(xiàn)以轉(zhuǎn)換層在一層時(shí)為例進(jìn)行說明，當(dāng)轉(zhuǎn)換層在一層時(shí)，假設(shè)轉(zhuǎn)換層水平構(gòu)件彎曲剛度為無限剛，計(jì)算模型可簡(jiǎn)化為圖1所示，此時(shí)由于各豎向構(gòu)件軸向變形并未制約，轉(zhuǎn)換層水平構(gòu)件整體轉(zhuǎn)角 ，由此求得的層側(cè)向剛度k1與高規(guī)法仍會(huì)略有差異，但可以判斷此項(xiàng)影響很小，與用高規(guī)法求得的結(jié)果應(yīng)較接近；如在圖1模型基礎(chǔ)上，對(duì)轉(zhuǎn)換層水平構(gòu)件施加豎向變形約束，則此時(shí)轉(zhuǎn)換層下各豎向構(gòu)件的變形狀態(tài)將與高規(guī)法所作假定計(jì)算模型完全一致，從理論上分析，兩者計(jì)算結(jié)果應(yīng)完全一致，但高規(guī)法近似將剪力墻作為構(gòu)件處理，而現(xiàn)有程序均將剪力墻按有限單元法計(jì)算，所以二者實(shí)際計(jì)算結(jié)果仍會(huì)有一定差別，

圖1 圖2

3 算例

算例：某30層框支轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層設(shè)置在1層，結(jié)構(gòu)平面如圖3。采用新高規(guī)法與新方法計(jì)算轉(zhuǎn)換層上下層的側(cè)向剛度及相應(yīng)的層側(cè)剛比，計(jì)算結(jié)果如表1。

圖3 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)布置示意圖

（轉(zhuǎn)換層下柱截面均為800x800，墻厚500mm，轉(zhuǎn)換層上部截面厚均為200mm）

表1 轉(zhuǎn)換層在1層時(shí)層側(cè)向剛度（104KN/mm）

算例清楚表明，由于假設(shè)轉(zhuǎn)換層及上下相鄰層水平構(gòu)件剛度為無限剛，高規(guī)層剪切剛度計(jì)算方法，求得的層側(cè)向剛度計(jì)算結(jié)果分別偏大2.05至2.68倍，由此引起層側(cè)剛比計(jì)算結(jié)果偏小6%或偏大16%，當(dāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件情況變動(dòng)時(shí)，誤差有可能更大，事前也難以判斷孰偏大或孰偏小，這對(duì)設(shè)計(jì)將帶來頗為不利的影響。

4 結(jié)語

如今，隨著我國(guó)建筑技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，帶轉(zhuǎn)換層的部分框支剪力墻高層建筑得到了廣泛應(yīng)用。如果整體計(jì)算中側(cè)向剛度不滿足要求時(shí)， 可以通過調(diào)整轉(zhuǎn)換層上下幾層落地剪力墻位置、墻厚、數(shù)量、混凝土強(qiáng)度等級(jí)等手段使側(cè)向剛度滿足要求， 從而減少地震作用下給結(jié)構(gòu)帶來嚴(yán)重?fù)p害的可能性， 真正保證復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性、安全性。

參考文獻(xiàn)

[1]榮維生、王亞勇、周仁刀.轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度對(duì)帶板式轉(zhuǎn)換高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的影響[J].工程抗震與加固改造.2004（06）.

[2]魏璉、王森、孫仁范.高層建筑結(jié)構(gòu)層側(cè)向剛度計(jì)算方法的研究[J].建筑結(jié)構(gòu).2014（06）.