杭州某高层建筑结构选型与分析
摘要:高层建筑功能越来越复杂,形式越来越多样。

在工程实例的基础上,针对结构形式进行多方面的比较分析,从而采取更为合理的形式;然后就转换层的计算进行了分析,最后对转换层的构造作了说明。

关键词:结构形式；梁式转换；转换层的构造措施。

1、工程概况
本工程位于杭州,由三栋高度分别为72m、84m、100m的高层建筑组成,其中地下2层均为车库,地上分别为14层、17层、21层。

地上五层以下是为会展和会议服务之用的餐饮、交通用房,六层以上全部是办公。

由于第五层上下的功能不同,为满足建筑的需要,在设计中应用了转换层,转换层标高44m。

本工程抗震设防烈度为6度,设计抗震为一组,设计基本地震加速度值为0.05g,场地属Ⅲ类场Tg=0.45s,抗震设防类别为丙类。

转换层示意图见图1～3。

下面主要介绍72m高的A栋。

2、结构形式的确定
本工程的特点是跨度大、高位转换。

为了结构设计的安全、可靠、经济、实用,进行了多种结构形式的比较分析,从而确定最合理的结构形式。

(结果见表1)
从表1可以看出三种结构形式各有优缺点。

（1）带支撑钢框架结构优缺点:结构自重轻,刚度好,抗震性能好,但其造价高,防火性能差,且支撑竖向不连续并影响建筑外观。

（2）框架-剪力墙结构优缺点:结构造价低,利用楼电梯间作为核心筒,刚度好,而且核心筒竖向连续,但结构自重大,构件尺寸大。

（3）钢-混凝土混合结构优缺点:特点是介于以上两者之间,但其最大的缺点是构造不好处理,混凝土构件与钢构件的连接难度大,给施工造成不便。

本工程地处6度抗震设防地区,其烈度不是很高,且层高控制要求不是很严,有做混凝土梁的空间,基于以上的分析比较,出于经济角度的考虑,决定采用框架-剪力墙混凝土结构体系。

3、转换层的设计
3.1转换层形式的确定
目前转换层的形式多种多样,现在常用的有梁式转换、板式转换、桁架式转换、箱形转换等等。

其中由于板式转换抗震性能不好,设计施工都很复杂;箱形转换很少用于房屋结构工程,故不予考虑。

根据本工程的特点,采用梁式转换和桁架式转换都可行,两种结构形式的分析结果见表2。

表2表明桁架式转换比梁式转换从混凝土和钢筋用量上能省70%。

从结构传力方式看,梁式转换层具有传力直接、明确和传力途径清楚的优点。

转换梁具有受力性能好、工作可靠、构造简单和施工方便的优点,结构计算也相对容易。

转换桁架具有自重轻、开洞和管道设置灵活,可以充分利用转换层的建筑空间的特点。

但转换桁架的构造和施工复杂,目前已很少采用。

出于经济、施工难度及周期等诸多方面的考虑,本工程采用梁式转换层形式,即在地上五层处,做一层高的转换大梁,转换梁上局部开洞。

3.2转换梁的设计
转换梁的截面尺寸通常是由其受剪承载力来控制,截面尺寸往往较大。

由于梁很强,处理不好有可能使转换梁与框支柱形成的框架出现“强梁弱柱”的现象,对结构的抗震不利。

一般梁在支座区段的剪力较大,通过梁加腋的办法可以增强转换梁在支座区段的抗剪承载力,有效地降低梁截面尺寸。

由于转换梁的受力复杂,为了能更准确的分析转换梁和上部框架的共同工作,除对模型进行整体空间分析外,还要采用有限元进行高精度补充计算。

在本工程中模型的整体空间计算采用的是中国建筑科学研究院的SATWE程序,有限元采用的是中国建筑科学研究院的FEQ程序。

某一榀转换梁经两种分析方法的内力计算结果见表3。

从表3分析数据表明,两者的结果还是比较接近的,SATWE程序的恒活载工况内力与FEQ程序有较大出入是由于SATWE程序对梁支座的弯矩进行了调幅,支座与跨中内力之和两者相差不多。

由此看出SATWE和FEQ 程序均能够较为准确的分析出结构整体和转换构件的受力状态,其结果是可用的。

3.3框支柱的设计
为了避免转换梁与框支柱形成的框架出现“强梁弱柱”的现象,本工程的框支柱采用钢骨混凝土,以提高柱的承载力。

在转换层以下,一般落地剪力墙的刚度远远大于框支柱的刚度,落地剪力墙几乎承受全部地震剪力,框支柱的剪力非常小。

考虑到实际工程中落地剪力墙出现裂缝后刚度下降,导致框支柱剪力增加。

所以规范按照转换层位置的不同,框支柱数目的多少,对框支柱剪力的调整增大做了不同的规定。

需要注意的是与剪力墙相连的框支柱。

SATWE程序对与墙相连的框支柱是按墙的一部分考虑的,其内力非常小,因此需要工程设计人员对其进行单独分析。

转换层结构在进行有限元分析时,下部结构框支柱下端的约束条件选取铰接或固接对结构内力的计算结果有较大影响。

在分析时,具体选用何种约束条件为宜,这主要与转换梁下部结构的层数有关。

3.4上部框架的设计
上部框架与转换梁共同工作,可视作一个层层受楼板约束、受相连梁空间约束的巨型框架。

该部分的框架须按照强柱弱梁的原则进行设计,确保塑性铰在梁端出现,使柱比梁有更大的安全储备。

转换层结构的试验研
究表明,与转换梁相连的柱子往往是薄弱环节;转换梁上层框架梁柱受力复杂、应力集中,设计时应根据实际受力情况进行较准确施工模拟计算分析。

抗震设计时,转换梁上层框架柱底端弯矩设计值应乘以放大系数ηb(见式3-1),并且根据放大后的弯矩设计值进行配筋。

式中 -转换梁上层框架柱底端考虑承载力抗震调整系数的正截面受弯承载力值-转换梁上层框架柱底端截面弯矩设计值
4、转换层的构造
转换构件除必须满足规范的相关要求,另外需要注意的是:
(1)由于转换梁所受轴力较大,因此其腰筋设置要满足≥2Φ20@100。

(2)框支柱节点区水平箍筋原则上可同柱箍筋,当转换梁腰筋配置及拉通可靠锚固时,可按≥Φ12@100构造设置水平箍筋和拉筋,且拉筋需将每根柱纵筋勾住。

(3)上部框架梁纵向钢筋的构造要求应注意整体结构工作特性,下部纵筋在柱支座内的锚固、搭接按受拉钢筋要求执行。

结论——本文通过工程实例对带转换层的高层建筑进行了研究,主要结论如下:
1.在抗震设防烈度不高的地区建造层数不是很高的建筑物时,框架-剪力墙为性价比较高的形式,宜优先考虑。

但由于剪力墙核心筒的布置受到了限制,容易造成平面刚心、质心不重合,产生扭转影响。

为此设计人员需对平面刚度进行调整。

2.转换梁形式有受力简单;传力途径直接;工程计算、分析、设计相对容易和造价相对较低等优势,在实际工程中可以广泛应用。