高位转换剪力墙结构设计实例分析

2014-03-07 01:33张加晚冯维琦
重庆建筑 2014年11期
关键词:楼层剪力墙计算结果

张加晚,冯维琦

(中机中联工程有限公司,重庆400039)

高位转换剪力墙结构设计实例分析

张加晚,冯维琦

(中机中联工程有限公司,重庆400039)

该文结合某工程实例,阐述了转换层结构布置思路,采用SATWE软件及MADIS BUILDING软件进行分析计算,并对计算结果进行详细的对比分析,为结构设计提供建议。

剪力墙;高位转换;实例分析;SATWE;MADIS BUILDING;结构设计

1 工程概况

蓝澳岛工程位于重庆市渝北区汽博中心旁,总建筑面积为19万m2,地下3层为车库,层高为4.5m,地上由三栋塔楼组成,塔楼均为32层,层高为3m,结构高度为114m。该工程结构设计使用年限为50年,安全等级为二级,工程所在地抗震设防烈度为6度,设计地震分组为第二组,设计基本地震加速度为0.10g,抗震设防类别为丙类,重庆地区基本风压为0.4kN/m2,该工程为超过60m的高层建筑,结构风荷载计算应按100年重现期考虑[5],即基本风压取W0=0.44 kN/m2,地面粗糙度类别为C类。由于建筑功能要求,结构大部分剪力墙不能落地,因此采用框支剪力墙结构体系,结构转换层位于建筑首层即结构第4层,所以该工程属于A级高度的高位转换框支剪力墙高层建筑。结构抗震等级:框支柱一级;框支框架一级;底部加强部位剪力墙一级;非底部加强部位剪力墙三级。

2 结构布置

2.1 概述

合理的结构布置要求结构设计人员应与建筑设计师积极配合,在方案阶段就应把自己的想法多与建筑交流,在满足建筑功能的同时,尽量做到建筑平面简单、对称,建筑立面尽量规则均匀,避免过大的外挑和收进,剪力墙能不转换时尽量不要转换;合理的结构布置要求结构设计人员更注重概念设计,设计指标均满足并不保证一定产生最优的结构方案,平面布置的剪力墙并不是越多结构越安全,转换层以下结构刚度也不是越大越好。本文以2#楼为例,分别对平面结构布置和竖向结构布置思路进行阐述。

2.2 平面结构布置

转换层上部结构平面布置尽量对称,剪力墙宜沿两个方向双向布置,两个方向布置的剪力墙侧向刚度相差不宜过大。该工程筒体向右偏置,所以在左侧增加两片落地剪力墙,使整个结构体系质心和刚心尽量重合。转换柱布置要根据上部结构需要转换的墙体位置来确定,转换柱尽量布置成转换框架,这样有利于结构的抗震。避免两个方向框支柱相互错开,形成若干个单片的框支框架,地震作用下易造成框支柱过早破坏,影响结构安全。同时,转换层上一层剪力墙超筋现象是转换层设计时经常遇到的问题,也是比较有争议的问题,计算发现,8m跨的框支梁,框支梁截面800×1500,上抬31层剪力墙时框支梁挠度可达25mm,需转换的剪力墙如果一端落在框支柱上,另一端落在框支梁上,两者的变形协调问题是造成剪力墙超筋的主要原因,因此,尽量避免需转换的剪力墙一端落在框支柱上,另一端落在框支梁上,无法避免时尽量减少落在框支梁上的剪力墙长度。

2.3 竖向结构布置

当剪力墙由于建筑功能原因无法落地时,转换层尽量设计在低楼层位置,8度时不宜超过3层,7度时不宜超过5层,6度时可适当提高[5]。研究得出,转换层位置较高时,框支剪力墙结构在转换层附近的刚度和内力更容易发生突变,同时容易造成转换层下部落地剪力墙和框支结构的开裂和屈服,转换层上部几层的墙体也容易发生破坏,即转换层较高的高层建筑不利于抗震。转换结构主要是控制结构的刚度比,刚度比问题的实质是控制楼层上下层刚度不要相差太大,由于转换层的存在,结构竖向刚度不连续而发生突变。因此,规范《高层建筑混凝土结构技术规程》附录E给出了转换层上下层侧向刚度的有关规定,当转换层位于第2层以上时,转换层与相邻上层的侧向刚度比宜接近1,且不应小于0.6;同时,转换层下部结构与上部结构若干层的等效侧向刚度比宜接近1,且不应小于0.8。当计算刚度比不满足要求时,很多结构设计师会采取增加转换层下部刚度或增加转换层上部结构刚度的方法来满足规范刚度比要求。这种单纯为了满足规范指标而加强结构刚度的做法是片面的,规范的实质是要使得结构的竖向刚度平稳过渡,片面地加大转换层上部或下部刚度会导致整个结构太刚而不经济,结构是否太刚可以通过楼层剪力及周期来大致判断。当楼层太刚且转换层下部刚度太小时,可适当减弱上部结构的刚度,同理,当结构太柔且转换层下部刚度太小时,可适当加强转换层下部结构的刚度,从而达到转换层上下楼层结构刚度变化的协调一致。结构优化后的转换层结构布置如图1所示。

图1 2#楼转换层结构布置图

3 结构计算及结果分析

3.1 计算参数选择

该工程采用PKPM系列中SATWE软件及MADIS BUILDING软件进行结构多遇地震作用下结构计算,并选用两组实际强震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线,进行多遇地震下的弹性时程分析补充计算,结构嵌固端取在基础顶面,振型组合方法采用振型分解反应谱法(CQC)法,计算振型数按各地震方向的振型参与质量不小于总质量的90%控制。计入双向地震作用下的扭转影响,并考虑结构偶然偏心,结构位移及周期计算时采用刚性楼板假定,框支层设计时采用弹性板,其中SATWE软件计算时将框支层设置成弹性板6,MADIS BUILDING软件在楼板类型中将转换层设置成弹性板,这样可以比较真实的得到转换梁的轴力。转换层由于上下抗侧力构件不连续,不管程序按刚度比来判断是否为薄弱层都应该将该层置为薄弱层,其他设计参数按规范规定进行选取。

3.2 计算结果分析

该工程SATWE及MADIS BUILDING两种软件主要计算结构结果对比见表1。

表1 结构主要计算结构对比

以上计算结果可以发现,两种软件计算结果相近,结构周期基本一致,计算结果可靠。结构周期比、剪重比及地震最大位移与平均位移比都满足规范要求。

图2、图3为PKPM及MADIS BUILDING两种软件计算的楼层X、Y方向楼层侧移刚度,从侧移刚度曲线可以看出,转换层及以下由于与车库相连,刚度要大于上部塔楼刚度,转换层以上各层刚度逐渐减少,从下到上侧移刚度曲线平缓,结构刚度逐渐减小,无明显刚度突变和结构薄弱层,结构布置合理。

图2 2#楼楼层X向侧移刚度

图3 2#楼楼层Y向侧移刚度

图4 2#楼X向楼层剪力

图5 2#楼Y向楼层剪力

图6 2#楼楼层X向位移角

图7 2#楼楼层Y向位移角

图4 -图7为两种软件在地震作用下采用CQC耦联方法计算得到的楼层X、Y方向楼层剪力曲线和楼层位移角曲线,两种软件计算结果相近,楼层剪力自下而上逐渐减小,与刚度变化趋势一致。结构位移角峰值出现在15-20层之间,该范围剪力墙设计时应采取适当的加强措施。该工程还选用二组实际地震记录曲线和一组人工模拟加速度时程曲线做多遇地震下的结构补充计算,弹性时程分析结果显示,楼层刚度、楼层剪力和楼层位移角等地震响应曲线变化平稳、连续,无明显结构薄弱层出现,且地震响应均小于CQC耦联方法计算结果,结构计算分析结果合理可靠。

3.3 构造措施

转换层为竖向抗侧力构件不连续的薄弱层,为有效传递水平荷载,转换层楼板厚取180mm,采用双层双向配筋,且每层每个方向的配筋率按0.3%控制,同时,转换层上下一层的楼板厚度取120厚,配筋也做适当加强;转换梁的上部墙体存在拱效应,转换梁与上部墙体协同工作时,转换梁处于整体弯曲的受拉区,因此,转换梁为偏心受拉构件,设计时转换梁上部纵筋50%沿梁全长贯通;转换柱和转换层以下的剪力墙作为转换层下部结构的抗侧力构件,结构抗震等级提高一级,转换柱和剪力墙底部加强区的轴压比、转换柱纵筋、转换柱箍筋及体积配箍率、墙体的水平和竖向分布钢筋最小配筋率等都按规范要求从严控制;转换层上一层为竖向刚度转换过渡区,剪力墙轴压比从严控制,墙体水平和竖向分布钢筋适当加强;结构分析中发现的结构位移角较大的楼层剪力墙水平和竖向分布钢筋适当加强;转换梁柱配筋较多,特别是节点部位钢筋交错更为复杂,给施工带来困难,为了方便施工,应尽量使用大直径、高强度的钢筋,减少钢筋根数和排数,加大钢筋之间的间距,方便混凝土浇捣。

4 结论

对于高位转换剪力墙结构,要更加注重结构的概念设计,确定合理的结构方案是关键;在此基础上,还需要有充分的计算分析手段,采用多种不同力学模型的结构分析软件进行分析对比,并采用结构动力时程分析做补充分析,相互验证,判断结构设计方案的合理性,确保计算结果准确和结构安全。

[1]林晓东.带高位转换层的高层建筑结构设计[J].四川建筑科学研究,2003,29(3):33-35.

[2]曹静,陈兰.某高位转换层框支剪力墙结构设计与分析[J].工业建筑,2008(增刊):1706-1711.

[3]周晓理,高伟.高位转换超限高层结构抗震分析[J].山西建筑,2013,39(33):27-28.

[4]方义庆.某带高位转换超限的框支剪力墙结构设计[J].建筑结构,2013,43(1):27-32.

[5]中华人民共和国国家标准.JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

责任编辑:孙苏

Analysis on Design Practice of Shear Wall Structure with High Transfer

Based on some engineering cases,the thoughts on the layout of transfer story structure are expounded and the results are calculated with SATWE and MADIS BUILDING and the calculation results are compared and analyzed in detail for reference.

shear wall;high conversion;case analysis;SATWE;MADIS BUILDING;structural design

TU318

A

1671-9107(2014)11-0067-03

10.3969/j.issn.1671-9107.2014.11.067

2014-10-17

张加晚(1984-),男,江西宜春人,研究生,一级注册结构工程师,主要从事结构设计与研究工作。

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