摘要：本文結(jié)合了一棟帶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程，比較了板式、梁式轉(zhuǎn)換層的優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)分析了鋼筋混凝土轉(zhuǎn)換梁與型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁的差別，提出了適用于本工程的型鋼混凝土主梁轉(zhuǎn)換與鋼筋混凝土次梁轉(zhuǎn)換相結(jié)合的主次梁轉(zhuǎn)換方案,分析了型鋼混凝土梁的承載能力。
　　關(guān)鍵詞：高層建筑；鋼混凝土框架；轉(zhuǎn)換梁分析；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　某大樓是要求集商業(yè)、酒店辦公為一體的現(xiàn)代化高層建筑。設(shè)有一層地下室,地上主體結(jié)構(gòu)27層(裙房6層),突出屋面的塔樓2層,地面以上建筑總高度108.7m。1～6層為商業(yè)用房,采用鋼筋混凝土框架－核心筒結(jié)構(gòu),6層以上為賓館及酒店式公寓，采用剪力墻－核心筒結(jié)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)這種底部大開(kāi)間與上部剪力墻之間的轉(zhuǎn)換,在主樓7層設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。結(jié)構(gòu)主體采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),部分構(gòu)件采用型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)。建筑平面如圖1所示(為表達(dá)清楚，圖中忽略轉(zhuǎn)換構(gòu)件以外的平面圖,圖中灰色部分為底部框支結(jié)構(gòu),黑色部分為上部框支剪力墻）。
　　1結(jié)構(gòu)方案確定
　　根據(jù)業(yè)主要求該建筑結(jié)構(gòu)底部空間的部分柱子不能移動(dòng),上部框支剪力墻位置也不能移動(dòng),由此導(dǎo)致了上部框支剪力墻軸線與底部框支框架軸線錯(cuò)開(kāi)較多的情況(圖1）。初步方案擬采用厚板轉(zhuǎn)換層，這樣可以解決眾多軸線錯(cuò)開(kāi)的問(wèn)題。但厚板轉(zhuǎn)換的傳力途徑不清楚,受力也十分復(fù)雜,同時(shí)為滿足抗剪和抗沖切的要求,初步計(jì)算板厚需要2.2～2.8m左右,考慮本工程轉(zhuǎn)換層設(shè)置在地面以上32.4m處,大體積混凝土在高空施工難度大。此外,厚板的巨大重量勢(shì)必會(huì)增大下部豎向構(gòu)件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求,同時(shí),由于厚板的重量集中在結(jié)構(gòu)中部,使得結(jié)構(gòu)整體振動(dòng)性能復(fù)雜,且該厚板轉(zhuǎn)換層剛度遠(yuǎn)大于下層剛度,容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,地震反應(yīng)強(qiáng)烈,對(duì)抗震十分不利。因此,厚板轉(zhuǎn)換層對(duì)本工程并不適用。
　　
　　圖1結(jié)構(gòu)平面圖
　　傳力直接明確、途徑清晰、并且轉(zhuǎn)換梁受力性能好,施工也比較方便。但采用梁式轉(zhuǎn)換時(shí)，應(yīng)使轉(zhuǎn)換梁直接承托上部剪力墻,盡量減少轉(zhuǎn)換次數(shù),避免主次梁的復(fù)雜轉(zhuǎn)換形式。由于本工程上部剪力墻形式各異,底部的柱網(wǎng)間距較大且位置不能移動(dòng),主次梁轉(zhuǎn)換形式在所難免,本文認(rèn)為,為解決該建筑平面、立面的多樣化給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)的難題，應(yīng)該突破原有的經(jīng)驗(yàn)和傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)概念,即：經(jīng)過(guò)合理的概念設(shè)計(jì)、依托規(guī)范規(guī)程及借助已有電算手段,對(duì)主次梁轉(zhuǎn)換形式進(jìn)行詳細(xì)分析,采取可靠措施,則主次梁的轉(zhuǎn)換形式是可行的。框支主次梁平面圖如圖2所示。
　　
　　圖2框支主次梁平面圖（忽略轉(zhuǎn)換層以外的平面圖）
　　2轉(zhuǎn)換梁截面尺寸確定
　　由于轉(zhuǎn)換梁的結(jié)構(gòu)一般是按剪壓比所控制,為了初步的確定轉(zhuǎn)換梁尺寸,可以按下式進(jìn)行計(jì)算：Vb≤0.15fcbh/γRE（1）
　　式中,fc為轉(zhuǎn)換構(gòu)件混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；b、h分別為轉(zhuǎn)換構(gòu)件截面寬度和高度；Vb≈(0.6～0.8)V0，V0為框支梁按簡(jiǎn)支狀態(tài)計(jì)算的所有重力荷載作用下支座截面剪力設(shè)計(jì)值。
　　現(xiàn)擬定框支梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50,跨度8.4m，γRE=0.85,并根據(jù)實(shí)際平面布置情況,取截面寬度b≈800mm，按式（1）計(jì)算后，梁尺寸為800mm×2500mm（b×h）。實(shí)際電算結(jié)果是，當(dāng)梁尺寸為800mm×2800mm時(shí)仍有部分框支梁抗剪不足,而根據(jù)建筑實(shí)際要求,轉(zhuǎn)換梁控制高度為2m。
　　要是使用鋼骨混凝土為梁,可依據(jù)有關(guān)規(guī)范規(guī)定：型鋼混凝土梁截面尺寸可按下式進(jìn)行計(jì)算：
　　Vb≤0.36fcbh/γRE（2）
　　由以上的二種公式為比較可知,在其他條件不變的情況下,若采用型鋼混凝土梁,理論上可使截面高度約降低70%,同時(shí)自重的減少可使Vb也減少,進(jìn)而進(jìn)一步降低梁高。
　　在經(jīng)過(guò)多次試算后,最后采用了型鋼混凝土轉(zhuǎn)換主梁與鋼筋混凝土轉(zhuǎn)換次梁相結(jié)合的主次梁轉(zhuǎn)換方案,具體結(jié)構(gòu)平面如圖2所示。其中,型鋼混凝土轉(zhuǎn)換主梁布置在主體框架,與型鋼混凝土框支柱相連,如圖2中實(shí)線所示；鋼筋混凝土次梁與型鋼混凝土梁等高連接,如圖2中虛線所示。
　　3計(jì)算結(jié)果分析
　　3.1整體計(jì)算
　　為了分析主次梁的方案可行性,對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了整體的計(jì)算。設(shè)計(jì)參數(shù)：采用SATWE、PMSAP軟件進(jìn)行對(duì)比計(jì)算。風(fēng)荷載按百年一遇取0.45kN/m2；抗震等級(jí)：框支框架、底部加強(qiáng)區(qū)均為一級(jí)；裙房為三級(jí)；地震作用按剪彎剛度分析模型并考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián),共計(jì)算24個(gè)振型,結(jié)構(gòu)嵌固部位取在±0.000處，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。
　　表1結(jié)構(gòu)整體計(jì)算的部分結(jié)果
　　
　　3.2彈性時(shí)程分析參數(shù)
　　可以采用天然TH1TG035、人工波RH1TG035及ELcentro波進(jìn)行計(jì)算。地震加速度時(shí)程曲線的最大值為35cm/s2，結(jié)構(gòu)阻尼比取5%。時(shí)程分析得到的x方向結(jié)果見(jiàn)圖3。
　　
　　圖3彈性時(shí)程分析結(jié)果
　　（a）最大樓層位移曲線；（b）最大樓層剪力曲線；（c）最大樓層彎矩曲線
　　3.3計(jì)算結(jié)果分析
　　①振型曲線符合規(guī)律；
　　②最大層間位移角<1/1000；最大層間位移與平均層間位移之比<1.4，均滿足規(guī)范要求；
　　③從圖3（a）中可以看出,曲線在轉(zhuǎn)換層處由剪切型過(guò)渡到彎曲型,符合變形規(guī)律,此外,框支層曲線較上部框支墻平緩,說(shuō)明底部剛度較上部框支剪力墻略小,與剛度比計(jì)算結(jié)果符合；
　　④時(shí)程分析的最大位移平均值小于反應(yīng)譜法計(jì)算的位移值,時(shí)程分析的最大樓層剪力與彎矩均小于反應(yīng)譜法的計(jì)算值；動(dòng)力時(shí)程反應(yīng)分析復(fù)核結(jié)果表明，不需要調(diào)整整個(gè)樓層構(gòu)件的內(nèi)力和配筋。
　　4型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁分析
　　建筑結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是轉(zhuǎn)換梁,而型鋼混凝土的轉(zhuǎn)換主梁在承托自身上部剪力墻的同時(shí)還承托轉(zhuǎn)換次梁及次梁上的剪力墻。為提高其承載力,必將增大轉(zhuǎn)換梁的剛度,但過(guò)大的轉(zhuǎn)換梁剛度將導(dǎo)致轉(zhuǎn)換層上下剛度比相差懸殊,對(duì)整體抗震性能反而不利。因此,在確保型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁承載力情況下,需要對(duì)轉(zhuǎn)換梁截面尺寸進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)過(guò)多次試算,型鋼采用三種截面（表2）。考慮所采用的分析程序在計(jì)算型鋼混凝土梁時(shí)可能出現(xiàn)偏差,為確保安全,需要對(duì)轉(zhuǎn)換梁的承載力進(jìn)行復(fù)核。根據(jù)程序計(jì)算結(jié)果,提取每種型鋼混凝土梁截面對(duì)應(yīng)的最大內(nèi)力,并根據(jù)《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》（YB9082-1997）進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)多次計(jì)算并修改分析程序的錯(cuò)誤配筋,使得每根轉(zhuǎn)換梁承載力均大于程序的分析內(nèi)力。同時(shí),由于鋼骨規(guī)程采用疊加方法,即未考慮型鋼與混凝土共同工作,故本次采用的型鋼混凝土梁是安全的。
　　表2型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁
　　
　　五、整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　除了計(jì)算的結(jié)果滿足規(guī)范要求以外,還應(yīng)保證結(jié)構(gòu)的安全，應(yīng)采取以下措施：①由于商場(chǎng)使用功能限制,落地剪力墻數(shù)量明顯偏少,且由圖1可以看出,核心筒位于y向上方,使該結(jié)構(gòu)平面也不規(guī)則,地震作用下容易形成較大扭轉(zhuǎn)。因此,為減少扭轉(zhuǎn),經(jīng)多次協(xié)商,在⑥軸y向增加落地剪力墻,并且在弧形梁中間柱的兩邊布置貫通整樓的剪力墻,這樣雖然損失了部分建筑功能,但把扭轉(zhuǎn)效應(yīng)降低到規(guī)范規(guī)定范圍內(nèi),扭轉(zhuǎn)周期也由第一周期降低到第三周期，抗震性能大為提高；②③由于建筑的核心筒y向剛度過(guò)大,在框支剪力墻布置時(shí),外圍剪力墻的x向長(zhǎng)度應(yīng)適當(dāng)加長(zhǎng),內(nèi)部剪力墻由于建筑需要，只能適當(dāng)將y向長(zhǎng)度加長(zhǎng),使得框支剪力墻墻肢高厚比均大于8,避免采用短肢剪力墻。此外，將核心筒y向厚度由400mm減到300mm,上述調(diào)整使得轉(zhuǎn)換層上下剛度比、位移比等指標(biāo)滿足要求，整體性能及抗震性能得到改善；③轉(zhuǎn)換層樓板要完成上、下層剪力的重新分配，在自身平面內(nèi)受力很大,本項(xiàng)目樓板厚度按200mm設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)換層上部七層根據(jù)建筑需要,設(shè)置空心板,板厚取200mm,地下室頂板厚度取180mm,部分取220mm進(jìn)行設(shè)計(jì),上述樓板配筋均按規(guī)范加強(qiáng)；④框支梁主體框架采用型鋼混凝土梁以提高抗震性能，其他轉(zhuǎn)換次梁采用鋼筋混凝土梁。柱子全部采用型鋼混凝土柱以實(shí)現(xiàn)與型鋼混凝土梁的連接；⑤部分地方由于建筑功能需要,框支剪力墻與框支梁軸線錯(cuò)開(kāi),為減少框支梁的巨大扭矩；在剪力墻墻肢處（該處為扭矩集中作用點(diǎn)）設(shè)置與框支梁垂直的抗偏梁,從而抑制框支梁關(guān)鍵部位的出平面變形尤其是角變位；⑥在型鋼混凝土框支梁與核心筒連接處設(shè)置型鋼混凝土構(gòu)造柱，使梁上應(yīng)力平穩(wěn)地傳遞到核心筒中，滿足“強(qiáng)柱弱梁”要求；⑦由于轉(zhuǎn)換梁是建筑的受力關(guān)鍵，且應(yīng)力分布復(fù)雜，在型鋼混凝土框支梁、柱的型鋼上沿全長(zhǎng)設(shè)置直徑為22mm、長(zhǎng)度90mm、間距150mm的栓釘，以保證內(nèi)力的可靠傳遞；⑧為保證梁柱連接節(jié)點(diǎn)可靠傳力,梁翼緣與柱采用全熔透坡口對(duì)接焊縫,梁腹板與柱通過(guò)連接板采用高強(qiáng)螺栓連接。水平加勁肋與柱型鋼翼緣采用坡口焊，與腹板采用雙面角焊縫。
　　六、結(jié)語(yǔ)
　　在上部框支剪力墻軸線與底部框支框架軸線錯(cuò)開(kāi)較多時(shí),根據(jù)概念設(shè)計(jì)、規(guī)范規(guī)程及已有電算手段進(jìn)行合理的分析,并采取可靠的措施,采用主次梁進(jìn)行轉(zhuǎn)換是可行的。本文通過(guò)建立不同分析模型,對(duì)大樓的型鋼混凝土框支轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算分析,并對(duì)轉(zhuǎn)換構(gòu)件進(jìn)行了對(duì)比。分析表明采用型鋼混凝土可以有效降低梁高,提高抗震性能。
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