李 夢，申 波，謝成吉，周世明，趙慶陽，龍海芳

(貴州大學(xué) 空間結(jié)構(gòu)研究中心，貴州 貴陽 550003)

為滿足日益擴(kuò)大的使用功能需求，不少建筑集商業(yè)、餐飲、娛樂、寫字間、公寓于一體，致使上下樓層建筑使用功能完全不同，布局各異，這就出現(xiàn)了因上下結(jié)構(gòu)型式或軸網(wǎng)尺寸不同而必須設(shè)置轉(zhuǎn)換層的情況［1］。目前常用的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形式有實(shí)腹大梁轉(zhuǎn)換、箱形轉(zhuǎn)換和厚板轉(zhuǎn)換。隨著高層建筑的發(fā)展，斜柱轉(zhuǎn)換作為一種新型轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)逐漸出現(xiàn)在人們的視野之中，主要用于梁托柱的建筑，如:文獻(xiàn)［1］中的沈陽華利廣場采用雙環(huán)結(jié)構(gòu)斜柱轉(zhuǎn)換，成功將6 層以上增設(shè)的環(huán)繞核心筒的一圈走廊柱并入核心筒壁內(nèi)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)托柱轉(zhuǎn)換。近年來鑒于斜柱轉(zhuǎn)換傳力直接、明確，受力合理等優(yōu)勢［2］，斜柱轉(zhuǎn)換也正逐步應(yīng)用于框支剪力墻結(jié)構(gòu)中，但主要是針對短肢剪力墻，重慶大學(xué)鐘樹生教授等對斜柱轉(zhuǎn)換在框支短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用做了一系列的理論分析和試驗(yàn)研究［3，4］，結(jié)果表明:斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的延性及耗能均低于鋼筋混凝土梁式轉(zhuǎn)換，斜柱間轉(zhuǎn)換梁凈跨段損傷較嚴(yán)重，其主要原因在于加斜柱后梁的跨高比變小，破壞類似于小跨高比連梁，延性較差。因此，為了提高傳統(tǒng)混凝土斜柱轉(zhuǎn)換的抗震性能，加強(qiáng)斜柱間轉(zhuǎn)換梁段的延性，使斜柱轉(zhuǎn)換能更加廣泛的應(yīng)用于實(shí)際工程中，我們提出了帶型鋼的新型斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，并將其應(yīng)用于框支剪力墻結(jié)構(gòu)中。新型斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)由型鋼混凝土斜柱、部分型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁(型鋼主要布置在斜柱間的轉(zhuǎn)換梁內(nèi))、鋼筋混凝土框支柱組成，型鋼混凝土斜柱一端與轉(zhuǎn)換層中的框支柱柱腳連接，另一端與型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁連接，其立面布置如圖1 所示。本文通過某工程實(shí)例對新型斜柱轉(zhuǎn)換和實(shí)腹大梁轉(zhuǎn)換進(jìn)行對比分析，從結(jié)構(gòu)周期、位移、剛度比和轉(zhuǎn)換梁截面尺寸等方面，分析比較在高層建筑中新型斜柱轉(zhuǎn)換的應(yīng)用對結(jié)構(gòu)整體性能改善的效果，為新型斜柱轉(zhuǎn)換在工程中的應(yīng)用和推廣提供一定的理論依據(jù)。

圖1 斜柱在轉(zhuǎn)換層的立面布置圖

1 新型斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

新型斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)利用鋼結(jié)構(gòu)偏心支撐耗能梁段的原理，在斜柱、轉(zhuǎn)換梁中布置型鋼，斜柱的型鋼錨固于轉(zhuǎn)換梁、框支柱中，以加強(qiáng)斜柱與轉(zhuǎn)換梁、框支柱的連接節(jié)點(diǎn)，通過在斜柱間的轉(zhuǎn)換梁內(nèi)布置型鋼，形成斜柱與斜柱之間的耗能梁段，以提高斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的延性、耗能，使斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的非彈性變形能均勻、有序地散布于整個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中。新型斜柱轉(zhuǎn)換不僅繼承了傳統(tǒng)混凝土斜柱轉(zhuǎn)換的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有更好的延性和耗能能力，提高了結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的抗震性能，適用范圍更廣。

1.2 構(gòu)造要求

在型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)中，型鋼與外包混凝土能否協(xié)調(diào)變形，是兩者共同工作的條件。為保證外包混凝土與型鋼的共同工作，必須在外包混凝土中配置必要的鋼筋［5］。型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁中縱向受拉鋼筋的配筋率宜大于0.3%，配箍率不應(yīng)小于0.15%;型鋼混凝土斜柱全部縱向受力鋼筋的配筋率不宜小于0.8%，為提高斜柱的變形能力和粘結(jié)破壞承載能力，柱箍筋加密區(qū)的箍筋最小體積配箍率取值范圍應(yīng)為1.0%～1.2%。為了保證型鋼與混凝土二者能夠良好協(xié)同工作直至型鋼屈服，一方面要求型鋼與混凝土之間有足夠的粘結(jié)承載力，同時(shí)也要求在型鋼達(dá)到屈服強(qiáng)度前，混凝土保護(hù)層不會(huì)被壓碎，因此要求型鋼混凝土柱的保護(hù)層厚度不宜小于120 mm，型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁的保護(hù)層厚度不宜小于100 mm，且梁內(nèi)型鋼翼緣離梁兩側(cè)距離之和，不宜小于梁截面寬度的1/3。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件中型鋼鋼板不宜過薄，以利于焊接和滿足局部穩(wěn)定要求，型鋼鋼板厚度不宜小于6 mm［6］。按文獻(xiàn)［5］的要求，型鋼混凝土梁、柱構(gòu)件中，型鋼的含鋼率不小于2%，也不宜大于15%，合理含鋼率為5%～8%。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

本工程位于貴州省畢節(jié)市，為框支剪力墻高層住宅建筑。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50 年，抗震設(shè)防烈度為6 度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，地震基本加速度為0.05 g，建筑場地類別為Ⅱ類，基本風(fēng)壓為0.30 kN/m2，地面粗糙度類別為B 類。建筑總高度為95.70 m，地上共31 層，第1 層采用大開間的框架—核心筒結(jié)構(gòu)，為大型商場，轉(zhuǎn)換層位于第2層，其層高為4.5 m，作為設(shè)備層、倉庫使用，3 層及3 層以上為小開間剪力墻結(jié)構(gòu)，用作住宅。轉(zhuǎn)換層板厚為180 mm，轉(zhuǎn)換層及以下的梁、板、柱、墻的混凝土強(qiáng)度等級為C55，轉(zhuǎn)換層以上的框架梁、板的混凝土等級為C35，剪力墻的混凝土等級為C55，并隨著樓層的增高，剪力墻的截面厚度和混凝土等級逐漸減小。原設(shè)計(jì)的實(shí)腹大梁轉(zhuǎn)換層及上部剪力墻平面布置如圖2 所示。

圖2 實(shí)腹大梁轉(zhuǎn)換層及上部剪力墻布置圖

圖3 斜柱在轉(zhuǎn)換層的平面布置圖

2.2 斜柱在轉(zhuǎn)換層的平面布置

本工程轉(zhuǎn)換層層高4.5 m，采用實(shí)腹大梁轉(zhuǎn)換時(shí)，轉(zhuǎn)換梁的截面高度最高為2300 mm，嚴(yán)重影響了建筑的使用功能;同時(shí)由于轉(zhuǎn)換層與其相鄰上層抗側(cè)剛度差別很大，導(dǎo)致樓層層間承載力在轉(zhuǎn)換層處產(chǎn)生突變。為了避免轉(zhuǎn)換層形成薄弱層，本文考慮在不影響建筑原有使用功能的前提下，在結(jié)構(gòu)的周邊適當(dāng)布置新型斜柱(如圖3 所示)，以降低轉(zhuǎn)換梁的截面高度，解決轉(zhuǎn)換層上、下剛度突變的問題。斜柱的布置需盡量均勻、對稱，沿x，y 向均需布置，使結(jié)構(gòu)x，y 向抗側(cè)剛度不宜差別太大，同時(shí)使結(jié)構(gòu)剛心與質(zhì)心盡量靠近。新型斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中的型鋼混凝土斜柱、型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁(本文僅在型鋼混凝土斜柱間的轉(zhuǎn)換梁段內(nèi)布置型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁，且所有型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁采用同一截面尺寸，如表1 所示，其余均為鋼筋混凝土轉(zhuǎn)換梁)的截面尺寸和配筋參數(shù)等分別見表1 和表2，截面示意圖如圖4、圖5 所示。新型斜柱的混凝土強(qiáng)度等級與該層框支柱保持一致，即取為C55。

表1 截面尺寸 (單位:mm)

圖4 型鋼混凝土斜柱示意圖

表2 含鋼率、配筋率、配箍率 (單位:%)

圖5 型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁示意圖

2.3 實(shí)腹大梁轉(zhuǎn)換與新型斜柱轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)性能對比分析

本工程的整體分析采用常用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件PKPM 中的SATWE 模塊，并用PMSAP 對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行復(fù)核［7］。其計(jì)算結(jié)果整理如下所示:

(1)結(jié)構(gòu)的自振周期

表3 結(jié)構(gòu)的自振周期 (單位:s)

由表3 可知，兩種轉(zhuǎn)換均滿足復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動(dòng)為主的第一自振周期的比值不應(yīng)大于0.85 的規(guī)定［8］。上表中新型斜柱轉(zhuǎn)換與實(shí)腹大梁轉(zhuǎn)換的自振周期非常接近，由于只在部分位置布置了新型斜柱，因而新型斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與實(shí)腹大梁轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的自振周期相差甚微。

(2)結(jié)構(gòu)樓層位移和層間位移角

在地震作用下，結(jié)構(gòu)的樓層位移和層間位移角，分別如圖6、圖7 所示。在風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)的樓層位移和層間位移角，分別如圖8、圖9 所示，其中符號(hào)B、C 分別表示實(shí)腹大梁轉(zhuǎn)換和新型斜柱轉(zhuǎn)換，X、Y 分別表示X、Y 方向的位移或位移角。從圖中可看出，新型斜柱轉(zhuǎn)換與實(shí)腹大梁轉(zhuǎn)換在地震作用和風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)樓層位移、層間位移角都相差不大;新型斜柱轉(zhuǎn)換和實(shí)腹大梁轉(zhuǎn)換在X方向的結(jié)構(gòu)樓層位移、層間位移角均大于Y 方向，這是由于結(jié)構(gòu)整體X 方向的剛度小于Y 方向的剛度。由表4 可知，在考慮偶然偏心影響的規(guī)定水平地震作用下，新型斜柱轉(zhuǎn)換和實(shí)腹大梁轉(zhuǎn)換在X、Y方向的最大位移比，均滿足不宜大于1.2 的要求［8］;在地震作用和風(fēng)荷載作用下，新型斜柱轉(zhuǎn)換和實(shí)腹大梁轉(zhuǎn)換的最大層間位移角，均小于規(guī)范規(guī)定的層間位移角限值。

圖6 地震作用下結(jié)構(gòu)樓層位移

圖7 地震作用下結(jié)構(gòu)層間位移角

圖8 風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)樓層位移

圖9 風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)層間位移角

(3)轉(zhuǎn)換層與其相鄰上層結(jié)構(gòu)的等效剪切剛度比

由表5 可知，實(shí)腹大梁轉(zhuǎn)換和新型斜柱轉(zhuǎn)換的剪切剛度比在X、Y 兩個(gè)方向均滿足不應(yīng)小于0.5的要求［8］，這兩種轉(zhuǎn)換在轉(zhuǎn)換層上層的結(jié)構(gòu)布置和剪力墻的截面尺寸完全相同，因此二者轉(zhuǎn)換層上層的剪切剛度變化不大;新型斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)換層X、Y 方向布置的斜柱顯著提高了轉(zhuǎn)換層的剪切剛度，能明顯改善轉(zhuǎn)換層與其相鄰上層結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度比。在保證與實(shí)腹大梁轉(zhuǎn)換具有相同的剪切剛度條件下，新型斜柱轉(zhuǎn)換可以在滿足框支柱和落地剪力墻軸壓比的同時(shí)適當(dāng)減小框支柱和落地剪力墻的截面尺寸，以便取得更好的經(jīng)濟(jì)效益。

表4 結(jié)構(gòu)最大位移比、最大層間位移角

表5 轉(zhuǎn)換層與其相鄰上層剪切剛度比 (單位:107kN/m)

(4)轉(zhuǎn)換梁截面尺寸的優(yōu)化

本工程在布置斜柱的位置相應(yīng)減小了轉(zhuǎn)換梁的截面尺寸，以獲得更多的建筑使用空間。新型斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和實(shí)腹大梁轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的部分轉(zhuǎn)換梁截面尺寸，如表6 所示。經(jīng)對比可知，在布置斜柱的位置及其周邊的轉(zhuǎn)換梁截面高度明顯降低，可充分利用建筑使用空間。

表6 新型斜柱轉(zhuǎn)換和實(shí)腹大梁轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換梁截面對比 (單位:mm2)

3 結(jié)論

(1)新型斜柱轉(zhuǎn)換在結(jié)構(gòu)的周期、整體水平位移和層間位移角方面與實(shí)腹大梁轉(zhuǎn)換相差甚微，能取得與實(shí)腹大梁轉(zhuǎn)換相同的整體反應(yīng)效果。

(2)與實(shí)腹大梁轉(zhuǎn)換相比，新型斜柱轉(zhuǎn)換能明顯改善轉(zhuǎn)換層與其相鄰上層結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度比，避免層間剛度突變，傳力路徑直接、明確，受力合理。在保證與實(shí)腹大梁轉(zhuǎn)換具有相同的剪切剛度條件下，新型斜柱轉(zhuǎn)換可以在滿足框支柱和落地剪力墻軸壓比的同時(shí)適當(dāng)減小框支柱和落地剪力墻的截面尺寸，以便取得更好的經(jīng)濟(jì)效益。

(3)新型斜柱轉(zhuǎn)換能減小轉(zhuǎn)換梁的截面尺寸，獲得更多的建筑使用空間，同時(shí)降低結(jié)構(gòu)自重。

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