某高层框支转换结构的体型分析

1、第二十届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 8 年 某高层框支转换结构的体型分析 黄强 ( 上海市建筑科学研究院上海2 咖3 2 ) 提要本文结合工程实例对结构体型布置进行分析，指出了不同的平面、立面的体型对结构受力性能的影响，讨论了 大底盘高位框支转换结构设计时应该注意的一些问题，为同类工程提供参考。 关键词结构体型，转换层，框支转换结构，侧向刚度比 1 、前言 由于城市用地紧张，建筑物向空中和地下发展；公众审美观的多样化 促使建筑师对建筑形态不断变化和创新；房产市场需求的不断变化，居住 者对居住建筑设计的要求以及需求的多样化促使设计者不断翻新；也有些 来自于建筑地块本身形状的制约。导致了超限高层建筑越来越多的在我国 出现【1 1 。超限高层建筑的复杂性促使了对结构的方案设计的重要地位，合 理的选择结构的体型、采用合适的计算模型对结构进行整体分析可以把影 响高层建筑抗震设计的诸多不利因素减小到最低程度，提高结构的安全性 和可靠性。 2 、工程概况 郑州大学路某高档酒店式公寓，总建筑面积为4 1 0 0 0 m 2 ，地下二层， 主体三十层，其中1 4 层为商业用房，层高为5 4

2、0 0 衄、4 8 0 0 衄、 4 8 0 0 m m 、5 7 0 0 m m ，5 层以上均为小户型公寓，层高2 9 0 0 m m ，主体结 构高度9 6 7 0 m 。因建筑功能需要，需采用框支抗震墙结构，转换层设在 四层项板。建筑总剖面图如图l ，转换层结构平面布置如图2 。 3 、结构转换层方案 图l 剖面图 l 毒U ， lj 卞“一一蓦 H 患 - 1 州i - 5 1 【王二j j ! 卜一+ L 星_ n 一 耍 事豇。 一| _ r 。 o 卫卧 f c 可i1i 了 e j 罡 1 1 0 【1 0 6 0 0 【1 0 6 0 0t 1 1 0 转换层的结构形式可以采用梁式、桁架式、板式、箱形等，这些转 图2 转换层平面结构布置 换层都可以形成大空间，实现结构类型或轴线的转变。其中梁式转换层 受力明确，设计和施工相对简单，应用最为广泛；同时，在转换梁受力较小部位可以开设合适的洞口， 容易满足建筑功能和设备管线布置的要求。因此，本工程采用梁式转换层。本工程结构设计的难点在与 如何最大满足建筑功能的需要合理的布置转换结构平面。 黄强，男，1 9 8 2 1 0

3、出生，工学硕士，工程师 5 2 6 _ 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 8 年 4 、结构体型分析 为最大限度的利用有效空间，满足建筑的使用功能。方 案分析中对图3 a 中塔楼平面进行了计算，由于L 型平面建 筑物因扭转而破坏的很多，根据L 型平面凸出部分长度，的 长度不同，分析了丁一1 、Z 一2 、丁一3 三种工况，丁一彳和 丁一艿为丁一1 工况采用了抗震缝把塔楼分割为彳、B 两个 部分，丁一彳为在丁一彳基础上减少了转换梁的数量，增加 j 上一上 ( a )( b ) 图3 建筑平面 了塔楼么西侧的剪力墙落地。采用多种程序进行结构整体分析，表1 3 为S A l r 、阮的主要计算结果。 应说明的是，对于底部大空间框支剪力墙结构，本工程还有如下几个特点：1 ) 高位转换，转换梁 设置在四层顶板处，标高2 1 3 0 0 米。转换层位置较高时，易使框支剪力墙在转换层附近的刚度、内力和 传力途径发生突变，并易形成薄弱层，对抗震不利。2 ) 主次梁二级转换，3 ) 转换梁跨度较大，最大跨 度1 1 3 米。因此在进行结构计算时必须近可能的模拟结构的真实情况。采用s A l

4、 r 、E 程序计算，将转换 层楼板和结构核心筒部分楼板按弹性楼板考虑，消除了复杂结构体系按刚性楼板假定计算带来的误差。 对于复杂结构体系，如本工程刚度分布很不均匀，大面积的剪力墙需要转换，在核心筒处还存在薄弱环 节，其振动特性与规则结构体系已有很大不同，若仍采用刚性楼板假定模拟，得出的误差将是相当大的。 这时薄弱部分的刚度将被同层刚度较大结构所覆盖。考察计算结果中各振型对地震力的贡献，部分周期 对应的是局部薄弱环节的振动，所以振型组合时不能按常规方法依次选取前面几个周期较大的振型，结 构的主振周期应为对地震剪力贡献最大的振型所对应的周期【2 J 。因此在计算中应选取足够多的振型数， 才能正确得出结构的振动特性。由于L 型平面对平扭耦联反应较大，在程序中同时考虑扭转耦联，这不 同于以往只考虑两垂直方向的平移振动，而是考虑了各方向位移间的相互影响，且是一种自由振动，所 产生的各振型、周期均是空间的【引。 表1 自振周期 结构自振周期( 括号内为平动因子)扭转与平动 lf B 一 T lT 2T 3 周期比值 T - 1O 4 8 72 3 1 4 2 ( 1 o o )2 1 1 5 4

5、 ( 0 6 7 )1 9 5 0 8 ( O 3 3 )0 8 4 3 T - 2O 3 9 72 2 6 9 3 ( 1 o o )2 0 7 3 8 ( 0 6 2 )1 9 0 7 0 ( O 3 8 )O 8 4 0 T - 3O 2 7 62 2 3 7 4 ( 1 o o )1 9 2 8 3 ( O 9 7 )1 8 8 4 0 ( O 0 3 )0 8 4 2 T A2 2 5 5 8 ( O 9 8 )2 0 4 3 3 ( 0 9 7 )1 8 5 6 3 ( O 0 4 )O 8 2 3 T - B2 3 7 4 5 ( 1 0 0 )2 3 1 2 4 ( 1 o o )1 7 9 9 l ( 0 0 1 )O 7 5 8 1 二A 2 3 7 0 8 ( 0 9 4 )2 2 4 2 5 ( 1 o o )1 9 8 7 0 ( 0 0 6 )O 8 3 8 表2 剪力计算结果 重力荷载底部剪力Q ( k N ) 底部宣孽重比最大底部剪力振型振型参与系数 代表值G Q G ：)( ) ( 1 斟) X 向Y 向X 向Y 向X 向Y 向x 向Y 向 T - l

6、4 3 5 6 1 71 1 1 5 1 8 1 0 9 6 7 32 5 62 5 2 第5 振型第1 振型 9 9 6 59 9 8 9 T - 24 0 3 6 6 51 0 4 9 5 3 1 0 4 1 9 32 6 02 5 8 第8 振型第l 振型 9 9 9 2 9 9 6 8 T - 33 8 0 5 9 31 0 7 3 2 7 1 0 4 1 9 32 8 22 7 4 第2 振型第1 振型 9 9 8 6 9 9 9 8 T - A3 8 3 4 8 99 1 6 5 3 9 1 0 8 8 5 62 3 92 8 4 第l 振型第6 振型 9 4 1 89 1 1 1 T - B1 1 2 1 5 72 6 0 2 0 6 2 6 2 2 _ 3 92 3 22 3 4 第2 振型第l 振型 9 8 5 79 9 0 7 1 ：A ?3 6 0 2 8 l7 9 2 6 2 0 9 2 8 6 5 02 2 02 5 8 第1 振型第2 振型 9 3 8 l9 3 2 0 5 2 7 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 8 年 表3 地震作用下位移

7、和刚度计算结果 最大水平位移与转换层上下层间侧向刚度比 最大层间位移角D 。加 层间水平位移平结构侧向刚 转换层转换转换层下一 均值比度比层上一层层转换层 X 向Y 向X 向Y 向x 向Y 向X 向Y 向X 向Y 向 T - l1 1 2 9 8 ( 1 7 层)1 1 2 1 l ( 1 5 层) 1 3 5 1 1 30 9 5 61 0 2 9O 6 4 6 0 7 0 4 1 0 8 21 2 9 2 T - 21 1 3 4 3 ( 1 5 层)l 1 3 4 8 ( 2 1 层)1 2 41 1 20 8 7 21 0 3 8O 6 1 40 7 2 31 2 8 5l - 3 6 9 T - 3l 1 6 9 6 ( 1 5 层)l 1 6 5 0 ( 1 4 层)1 1 31 0 7O 7 9 11 0 1 3O 6 0 90 8 0 4I 2 7 01 3 9 7 Al 1 1 9 7 ( 1 l 层)1 1 3 5 7 ( 1 9 层)1 0 71 1 4O 5 5 20 6 8 51 1 8 l1 1 6 8O 9 0 41 3 4 9 T B 1 1 1 7 2

8、 ( 1 2 层)l 1 1 3 3 ( 1 2 层) 1 0 61 0 2 T - A 1 1 1 6 3 ( 1 2 层) l 1 2 0 9 ( 1 6 层)1 1 11 1 5O 6 1 60 8 9 51 1 0 00 7 9 9O 9 4 01 2 3 0 从表1 可以看出对于丁一1 、r 一2 、丁一3 通过增加结构平面的角部剪力墙，增加结构的抗扭刚度， 可以把扭转与平动周期比值都限制在0 8 5 以下，从表2 可以看出，丁一l 、丁一2 最大底部剪力所在的振 型并不都是第一、第二振型，这也反应了其平面的不规则性，表3 中最大水平位移与层间水平位移平均 值比采用了刚性楼板算法，可以看出丁一3 要明显优与丁一1 。丁一1 、丁一2 、丁一3 的主要差别尤其体 现在转换层以上墙体的应力分布上，丁一1 转换层以上墙体的应力分布很不规则，超筋现象严重，转换 层以下墙体也有应力集中现象，而转换层部位的墙体应力分布对转换结构的性能至关重型4 】。对于r l l r 召。= o 4 8 7 ，大于0 3 5 ，属于平面凸角不规则；楼层最大弹性水平位移、层间位移大于该层两端弹性 水平位移

9、、层间位移平均值的1 2 倍，属于平面扭转不规则；同时又由于设置转换层，竖向抗侧力构件 不连续。根据规范【5 J 本项目属于严重不规则建筑，即为超高限建筑工程。由于减少，的长度，将大幅减少 建筑的使用面积，不利于合理的利用空间资源，设计中又提出了如图3 b 的设抗震缝方案。抗震缝把原塔 楼分割为塔楼A 和塔楼B 两个部分，同时裙房也被分割为两个部分。塔楼处的缝宽3 0 0 m m ，群房处缝宽 1 0 0 m m 。抗震缝自地下室顶板以上分隔，地下室顶板保持良好的整体性和刚度，能够将上部结构地震作 用有效地传到地下室结构。对于多个塔楼仅通过地下室连为一体，每栋塔楼( 包括带局部小裙房) 均设 防震缝分开，分属不同的结构单元，可以不认为是大底盘多塔结构1 6 J ，为防止几种复杂体型应用与同一 工程，保证结构设计的安全性，我们取消了塔楼B 的转换梁，改塔楼B 为普通剪力墙结构，而塔楼A 仍为 框支转换结构，分别对丁一彳、丁一B 单独分析，可以看出丁一B 改为普通剪力墙结构后，其扭转作用 大大减少，计算结果非常理想。而塔楼A 由于取消了平面凸出部分，其扭转作用也减轻很多，但是由于 塔楼严重的偏于大底盘的一侧，刚度中心和质量中心不能较好的重合，经过对塔楼上部墙体的优化及对 裙房墙体的调整，尽量使两者靠近。丁一彳为其计算结果，可以看出由于裙房墙体的调配，转换层上下 结构侧向刚度比已经小于l ，下部墙体较多。r 一彳为优化的塔楼A 模型，其取消了塔楼A 核心筒西侧的 转换结构，使上部剪力墙落地，减少了转换，使侧向刚度比更为合理。 对r 一彳、丁一B 进行双塔楼整体验算，计算结果前三个周期的数据为2 5 5 2 3 s 、2 4 8 8 5 s 、2 4 3 2 2 s ， 比单独计算时的周期略大。从表4 中数据可以看出按双塔楼计算时由于刚度不均匀，

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