鄔勇偉

上海建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司（200041）

多層框架梁式轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

鄔勇偉

上海建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司（200041）

通過介紹工程實(shí)例，針對(duì)多層框架梁式轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)，提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法。

不規(guī)則；多層框架；梁式轉(zhuǎn)換

隨著現(xiàn)代建筑向著體系復(fù)雜、功能多樣化的綜合型方向發(fā)展，平常出現(xiàn)在高層建筑中的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)也越來越多的應(yīng)用在多層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，并成為現(xiàn)代建筑的一大發(fā)展趨勢(shì)，尤其是在用地緊張大中城市中更是如此。為了爭取建筑物底部較大的空間，同時(shí)滿足建筑體型及上部多功能的用途，就必須通過設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層來實(shí)現(xiàn)，而梁式轉(zhuǎn)換是目前最常見、應(yīng)用最廣泛的一種轉(zhuǎn)換形式，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)傳力直接、明確，路徑清楚，受力性能好，構(gòu)造相對(duì)簡單。

1　工程概況

上海虹橋工業(yè)區(qū)某多層辦公樓，地上4層（地下一層），單體平面尺寸約為77 m×26 m。底層跨越兩層，層高9.5 m，3～5層層高4.4 m。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)?？拐鹪O(shè)防烈度為7度（0.10 g），設(shè)計(jì)地震分組為第一組，抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類（丙類），場地類別為Ⅳ類，特征周期為0.90 s。

2　結(jié)構(gòu)選型

辦公樓采用框架結(jié)構(gòu)體系，為滿足建筑使用功能的要求，3～5層采用寬扁梁結(jié)構(gòu)體系?？拐鸬燃?jí)為二級(jí)。3～5層的豎向構(gòu)件通過3層樓面的轉(zhuǎn)換梁與底層的6根巨型斜柱實(shí)現(xiàn)傳力連接。轉(zhuǎn)換梁截面為1.5 m×3.0 m，斜柱截面為2.4 m×3.1 m。其標(biāo)準(zhǔn)剖面見圖1。

圖1　標(biāo)準(zhǔn)剖面圖

3　不規(guī)則情況

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》及《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》中規(guī)定，本工程存在以下兩點(diǎn)超限：①考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2；②上下墻、柱、支撐不連續(xù)，含加強(qiáng)層。

從建筑結(jié)構(gòu)的安全考慮，判定屬于一般不規(guī)則的建筑，應(yīng)按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定采取相應(yīng)加強(qiáng)措施。由于工程處于Ⅳ類場地土，地震作用效應(yīng)較大，因此應(yīng)提出針對(duì)性的設(shè)計(jì)措施來進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4　設(shè)計(jì)中采取的措施

1）平面布置應(yīng)力求簡單均衡，規(guī)則對(duì)稱，盡量使質(zhì)心和剛心重合，避免扭轉(zhuǎn)的不利影響。

2）針對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)容易剛度突變的特點(diǎn)，調(diào)整轉(zhuǎn)換層及其相鄰層的結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸，在保證安全的前提下，強(qiáng)化轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)，弱化上部結(jié)構(gòu)，盡量控制剛度相近，但也不能過度加強(qiáng)轉(zhuǎn)換層，避免剛度、質(zhì)量集中，造成地震效應(yīng)突然增大。

一對(duì)一(OVO)拆分策略：將多分類問題進(jìn)行拆分，若樣本具有M個(gè)類別，則將數(shù)據(jù)集劃分為M部分，每一部分為一個(gè)類別，然后將這M部分兩兩配對(duì)，因此可形成M(M-1)/2個(gè)二分類任務(wù)，即可訓(xùn)練M(M-1)/2個(gè)分類器，可得到M(M-1)/2個(gè)預(yù)測結(jié)果，最后用投票法決定測試樣本的最終預(yù)測類別：把被預(yù)測得最多的類別作為最終的分類結(jié)果。

3）為了傳力直接，避免復(fù)雜轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)換梁的中心線宜與所托的框架柱及下部的框支柱的中心線盡量重合，規(guī)避偏心造成的不利影響。

4）轉(zhuǎn)換層樓板厚度設(shè)計(jì)為180 mm厚，配置雙層雙向鋼筋，單層每個(gè)方向的配筋率不小于0.3%；考慮轉(zhuǎn)換梁的軸向變形，應(yīng)采用彈性樓板假定，并用中震復(fù)核樓板應(yīng)力。

5）由于轉(zhuǎn)換梁托的框架柱是空間受力，柱子的兩個(gè)主軸方向都有較大的彎矩，故設(shè)計(jì)中除應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)化梁按計(jì)算配足受力鋼筋外，還應(yīng)在垂直方向設(shè)置轉(zhuǎn)換次梁，以平衡平面外的彎矩。

6）對(duì)于轉(zhuǎn)換的上部結(jié)構(gòu)采用寬扁梁結(jié)構(gòu)體系，轉(zhuǎn)換層上層的直升柱和梁托柱截面不能有過大的消弱，軸壓比控制不宜放松，縱筋及箍筋宜適當(dāng)加強(qiáng)。

7）根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》及《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的要求，本工程屬于重要的框架轉(zhuǎn)換，應(yīng)參照框支轉(zhuǎn)換采取適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)措施，對(duì)底部斜柱和托柱轉(zhuǎn)換梁應(yīng)進(jìn)行有限元應(yīng)力分析和中震彈性驗(yàn)算，并按結(jié)果復(fù)核配筋。托柱轉(zhuǎn)換梁的扭矩不應(yīng)折減，其水平地震作用計(jì)算內(nèi)力應(yīng)乘以相應(yīng)的增大系數(shù)，底部斜換柱的抗震等級(jí)按一級(jí)（即提高一級(jí)）采取抗震構(gòu)造措施，并應(yīng)加強(qiáng)梁柱連接構(gòu)造措施。

8）嚴(yán)格控制大跨度轉(zhuǎn)換梁和上部寬扁梁的變形（撓度和裂縫寬度），且其豎向撓度應(yīng)不大于計(jì)算跨度的1/400。

5　計(jì)算結(jié)果分析

5.1小震下結(jié)果的分析對(duì)比

采用SATWE和ETABS軟件分別進(jìn)行小震作用下的反應(yīng)譜分析。在ETABS軟件分析中采用殼單元來模擬剪力墻，線單元來模擬梁、柱。兩個(gè)軟件對(duì)比分析結(jié)果見表1。由表1可知，在小震作用下，按彈性方法計(jì)算的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足相應(yīng)規(guī)范的各項(xiàng)要求，且兩個(gè)軟件的計(jì)算結(jié)果較吻合，證明了計(jì)算模型建立的準(zhǔn)確性。

表1　結(jié)果對(duì)比分析

5.2彈性時(shí)程分析及靜力彈塑性分析結(jié)果

設(shè)計(jì)時(shí) （考慮到彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析）采用ETABS的彈性動(dòng)力時(shí)程分析模塊進(jìn)行彈性動(dòng)力時(shí)程分析。時(shí)程分析選用三組地震波而非七組地震波，計(jì)算用特征周期0.9 s，加速度峰值按7度多遇地震取用，即35 cm/s2，各單元的分析見表2。

表2　時(shí)程分析與反應(yīng)譜分析結(jié)果對(duì)比

從表2可以看出，每條時(shí)程曲線計(jì)算的結(jié)構(gòu)基底剪力不小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%同時(shí)也不大于135%，其平均值不小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%同時(shí)也不大于120%，時(shí)程分析的計(jì)算結(jié)果與反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果基本吻合，按振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算地震作用及構(gòu)件設(shè)計(jì)是充分的。由于采用一條人工波加兩條天然波的分析模式，故計(jì)算結(jié)果取時(shí)程法的包絡(luò)值和振型分解反應(yīng)譜法的較大值，本單體按時(shí)程法的包絡(luò)值計(jì)算地震作用及構(gòu)件設(shè)計(jì)，將振型分解反應(yīng)譜法X向放大1.21倍；Y向放大1.20倍來指導(dǎo)施工圖的設(shè)計(jì)工作。

采用EPDA法進(jìn)行結(jié)構(gòu)在大震作用下的靜力彈塑性分析補(bǔ)充計(jì)算，分析結(jié)果表明，X、Y向最大層間位移角分別為1/219、1/136，滿足抗規(guī)對(duì)框架結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角的限值1/50的要求，且同時(shí)滿足相關(guān)單體的抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo)值要求。整體結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)顯著的薄弱層，達(dá)到了“大震不倒”的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

5.3罕遇地震作用下彈塑性動(dòng)力分析

罕遇地震作用下的彈塑性分析采用Perform-3d軟件。Perform-3d是一個(gè)三維結(jié)構(gòu)非線性分析與性能評(píng)估軟件，具有出色的非線性分析和性能評(píng)估能力。軟件為不同的非線性材料或組件設(shè)置了五種性能水平（Performance Level）。一般來說只使用到前三種性能水平，分別對(duì)應(yīng)于立即使用階段（Immediate Occupancy）、生命安全階段（Life Safety）、防止倒塌階段（Collapse Prevention）。本工程定義三性能水平如下。

1）混凝土

第一性能水平點(diǎn)：混凝土抗壓平均強(qiáng)度的最大值。第二性能水平點(diǎn)：0.5倍混凝土抗壓平均強(qiáng)度的最大值。第三性能水平點(diǎn)：3倍的混凝土極限壓應(yīng)變，即混凝土受壓破壞退出工作。

2）鋼筋

第一性能水平點(diǎn)：0.7倍鋼筋屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。第二性能水平點(diǎn)：鋼筋屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。第三性能水平點(diǎn)：3倍的鋼筋極限拉應(yīng)變，即鋼筋受拉破壞退出工作。

具體見圖2～圖5。

圖2　PAR_00地震波作用下結(jié)構(gòu)的塑性發(fā)展

圖3　TJNB地震波作用下結(jié)構(gòu)的塑性發(fā)展

圖4　PAR_00地震波作用下單榀結(jié)構(gòu)的塑性發(fā)展

圖5　TJNB地震波作用下單榀結(jié)構(gòu)的塑性發(fā)展

由一層結(jié)構(gòu)塑性發(fā)展示意圖可知，在同等強(qiáng)度的罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)的抗震性能良好，第一層混凝土柱以及轉(zhuǎn)換梁均處于IO階段，一層結(jié)構(gòu)構(gòu)件沒有進(jìn)入塑性發(fā)展階段；由單榀結(jié)構(gòu)塑性發(fā)展示意圖可知，在同等強(qiáng)度的罕遇地震作用下，上部結(jié)構(gòu)尤其最右側(cè)單榀框架柱上出現(xiàn)部分鋼筋屈服、混凝土壓碎后形成的塑性鉸，多數(shù)構(gòu)件處于IO階段，僅少部分框架梁、柱處于LS階段。在后續(xù)的結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)階段可針對(duì)此處梁、柱進(jìn)行局部加強(qiáng)處理。

6　結(jié)語

通過對(duì)工程實(shí)例，采用小震下的振型分解反應(yīng)譜分析，并補(bǔ)充小震下的彈性時(shí)程分析，大震下的靜力、動(dòng)力彈塑性分析，得出以下結(jié)論：

1）梁式轉(zhuǎn)換傳力直接，轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)少；應(yīng)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換層上下部結(jié)構(gòu)的剛度，做到有強(qiáng)有弱，結(jié)構(gòu)計(jì)算應(yīng)細(xì)致全面。

2）轉(zhuǎn)換梁的剛度對(duì)轉(zhuǎn)換梁與上部結(jié)構(gòu)的共同作用能力有一定的影響，由于結(jié)構(gòu)的整體性，轉(zhuǎn)換梁和其上部的框架是共同作用的。計(jì)算分析表明：適當(dāng)加大上部幾層框架梁的截面尺寸，可使上部框架與轉(zhuǎn)換梁共同承擔(dān)，避免較大的內(nèi)力集中在轉(zhuǎn)換梁上，使結(jié)構(gòu)受力合理，提供抗震性能。本工程通過動(dòng)力彈塑性分析，發(fā)現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)由于采用寬扁梁體系，性能較薄弱，不夠合理，在后期的設(shè)計(jì)中應(yīng)予以調(diào)整加強(qiáng)。

3）選擇性能設(shè)計(jì)的方法驗(yàn)算重要構(gòu)件的承載力，符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)減弱彎”，體現(xiàn)了抗震概念設(shè)計(jì)，有效提高了結(jié)構(gòu)的承載力和延性。

［1］建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［2］高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

［3］高層建筑梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)受力變形特點(diǎn)探析［J］.北京：建筑技術(shù)，2012.