型钢混凝土在框支转换结构中的设计运用

型钢混凝土在框支转换结构中的设计运用

胡云初

襄阳市建筑设计院湖北襄阳441000

摘要：结合一栋带结构转换层的高层建筑结构设计过程，比较了板式、梁式转换层的优缺点，同时分析了钢筋混凝土转换梁与型钢混凝土转换梁的差别，提出了适用于本工程的型钢混凝土主梁转换与钢筋混凝土次梁转换相结合的主次梁转换方案，分析了型钢混凝土梁的承载能力。通过工程实例详细介绍了型钢混凝土转换结构的设计计算要点，对同类工程设计具有一定的参考价值。

关键词：框支转换层；型钢混凝土梁；主次梁；弹性动力时程分析

某商住楼是集商业和住宅于一体的综合性高层建筑。设有一层地下室，地上主体结构32层（裙房3层），地面以上建筑总高度98.7m。1～3层为商业用房，采用钢筋混凝土框架－核心筒结构，3层以上为住宅，采用剪力墙结构。为实现这种底部大开间与上部剪力墙之间的转换，在主楼3层设置结构转换层。结构主体采用钢筋混凝土框架结构，部分构件采用型钢混凝土组合结构。建筑平面如图1所示（为表达清楚，图中忽略转换构件以外的平面图，图中黑色部分为底部框支结构，粗线部分为型钢混凝土框支梁）。

图1框支转换层结构平面图

1结构方案确定

由于该建筑的特殊要求，底部大空间部分的柱子不能移动，同时根据业主要求，上部框支剪力墙位置也不能移动，由此导致了上部框支剪力墙轴线与底部框支框架轴线错开较多的情况（图1）。初步方案拟采用厚板转换层，这样可以解决众多轴线错开的问题。但厚板转换的传力途径不清楚，受力也十分复杂，同时为满足抗剪和抗冲切的要求，初步计算板厚需要2.2～2.8m左右，考虑本工程转换层设置在地面以上12.60m处，大体积混凝土在高空施工难度大。此外，厚板的巨大重量势必会增大下部竖向构件的强度设计要求，同时，由于厚板的重量集中在结构中部，使得结构整体振动性能复杂，且该厚板转换层刚度远大于下层刚度，容易产生应力集中，地震反应强烈，对抗震十分不利。因此厚板转换层对本工程并不适用。

梁式转换层具有传力直接明确，传力途径清晰的优点，并且转换梁受力性能好，施工也比较方便。但采用梁式转换时，应使转换梁直接承托上部剪力墙，尽量减少转换次数，避免主次梁的复杂转换形式。由于本工程上部剪力墙形式各异，底部的柱网间距较大且位置不能移动，主次梁转换形式在所难免，本文认为，为解决该建筑平面、立面的多样化给结构设计带来的难题，应该突破原有的经验和传统的结构概念，即：经过合理的概念设计、依托规范规程及借助已有电算手段，对主次梁转换形式进行详细分析，采取可靠措施，则主次梁的转换形式是可行的。框支主次梁平面图如图2所示

图2框支主次梁平面图

2转换梁截面尺寸确定

由于框支梁一般按剪压比控制，为初步确定转换梁尺寸，按下式进行计算：

Vb≤0.15fcbh/γRE（1）

式中，fc为转换构件混凝土抗压强度设计值；b、h分别为转换构件截面宽度和高度；Vb≈（0.6～0.8）V0，V0为框支梁按简支状态计算的所有重力荷载作用下支座截面剪力设计值［2］。

现拟定框支梁混凝土强度等级为C50，跨度8.4m，γRE=0.85，并根据实际平面布置情况，取截面宽度b≈800mm，按式（1）计算后，梁尺寸为800mm×2500mm（b×h）。实际电算结果是，当梁尺寸为800mm×2800mm时仍有部分框支梁抗剪不足，而根据建筑实际要求，转换梁控制高度为2m。

若采用钢骨混凝土梁，根据规范规定：型钢混凝土梁截面尺寸可按下式进行计

算：

Vb≤0.36fcbh/γRE（2）

由（1）（2）式比较可知，在其他条件

不变的情况下，若采用型钢混凝土梁，理论上可使截面高度约降低70%，同时自重的减少可使Vb也减少，进而进一步降低梁高。

综上所述，经多次试算后，最终采用型钢混凝土转换主梁与钢筋混凝土转换次梁相结合的主次梁转换方案，具体结构平面如图2所示。其中，型钢混凝土转换主梁布置在主体框架，与型钢混凝土框支柱相连，如图2中粗线所示；钢筋混凝土次梁与型钢混凝土梁等高连接，如图2中虚线所示，抗偏梁见图3。

3计算结果分析

3.1整体计算

为分析主次梁方案的可行性，对该结构进行整体计算。设计参数：采用SATWE、PMSAP软件进行对比计算。风荷载按百年一遇取0.35kN/m2；抗震等级：框支框架、底部加强区均为一级；地震作用按剪弯刚度分析模型并考虑扭转耦联，共计算24个振型，结构嵌固部位取在±0.000处，计算结果见表1。

3.2弹性时程分析参数

选用天然TH1TG035、人工波RH1TG035及ELcentro波进行计算。地震加速度时程曲线的最大值为35cm/s2，结构阻尼比取5%。时程分析得到的x方向结果见图4。

3.3计算结果分析

（1）振型曲线符合规律；

（2）最大层间位移角<1/1000；最大层间位移与平均层间位移之比<1.4，均满足规范要求；

（3）从图4（a）可以看出，曲线在转换层处由剪切型过渡到弯曲型，符合变形规律，此外，框支层曲线较上部框支墙平缓，说明底部刚度较上部框支剪力墙略小，与刚度比计算结果符合；

（4）时程分析的最大位移平均值小于反应谱法计算的位移值，时程分析的最大楼层剪力与弯矩均小于反应谱法的计算值；动力时程反应分析复核结果表明，不需要调整整个楼层构件的内力和配筋。

4型钢混凝土转换梁分析

转换梁为结构的关键部位，而型钢混凝土转换主梁在承托自身上部剪力墙的同时还承托转换次梁及次梁上的剪力墙。为提高其承载力，必将增大转换梁的刚度，但过大的转换梁刚度将导致转换层上下刚度比相差悬殊，对整体抗震性能反而不利。因此，

在确保型钢混凝土转换梁承载力情况下，需要对转换梁截面尺寸进行优化。经过多次试算，型钢采用三种截面（表2）。考虑所采用的分析程序在计算型钢混凝土梁时可能出现偏差，为确保安全，需要对转换梁的承载力进行复核根据程序计算结果，提取每种型钢混凝土梁截面对应的最大内力，并根据《钢骨混凝土结构设计规程》（YB9082-2006）进行计算，经多次计算并修改分析程序的错误配筋，使得每根转换梁承载力均大于程序的分析内力。同时，由于钢骨规程采用叠加方法，即未考虑型钢与混凝土共同工作，故本次采用的型钢混凝土梁是安全的。

5整体结构设计

除计算结果满足规范要求以外，为保证结构安全，还采取了以下措施：

（1）由于商场使用功能限制，落地剪力墙数量明显偏少，且由图1可以看出，核心筒位于y向上方，使该结构平面也不规则，地震作用下容易形成较大扭转。因此，为减少扭转，经多次协商，在⑥轴y向增加落地剪力墙，并且在弧形梁中间柱的两边布置贯通整楼的剪力墙，这样虽然损失了部分建筑功能，但把扭转效应降低到规范规定范围内，扭转周期也由第一周期降低到第三周期，抗震性能大为提高。

（2）由于核心筒y向刚度较大，在布置框支剪力墙时，外围剪力墙x向长度适当加长，内部剪力墙由于建筑需要，只能适当将y向长度加长，使得框支剪力墙墙肢高厚比均大于8，避免采用短肢剪力墙。此外，将核心筒y向厚度由400mm减到300mm，上述调整使得转换层上下刚度比、位移比等指标满足要求，整体性能及抗震性能得到改善

（3）转换层楼板要完成上、下层剪力的重新分配，在自身平面内受力很大，本项目楼板厚度按200mm设计，地下室顶板厚度取180mm进行设计，上述楼板配筋均按规范加强。

（4）框支主梁采用型钢混凝土梁以提高抗震性能，其他转换次梁采用钢筋混凝土梁。柱子全部采用型钢混凝土柱以实现与型钢混凝土梁的连接。

（5）部分地方由于建筑功能需要，框支剪力墙与框支梁轴线错开，为减少框支梁的巨大扭矩；在剪力墙墙肢处（该处为扭矩集中作用点）设置与框支梁垂直的抗偏梁（图3），从而抑制框支梁关键部位的出平面变形尤其是角变位。

（6）在型钢混凝土框支梁与核心筒连接处设置型钢混凝土构造柱，使梁上应力平稳地传递到核心筒中，满足“强柱弱梁”要求。

（7）由于转换梁为受力关键部位，且应力分布复杂，在型钢混凝土框支梁、柱的型钢上沿全长设置直径为22mm、长度90mm、间距150mm的栓钉，以保证内力的可靠传递。

（8）为保证梁柱连接节点可靠传力，梁翼缘与柱采用全熔透坡口对接焊缝，梁腹板与柱通过连接板采用高强螺栓连接。水平加劲肋与柱型钢翼缘采用坡口焊，与腹板采用双面角焊缝。

6结语

（1）本文通过建立不同分析模型，对型钢混凝土框支转换层结构进行了计算分析，并对转换构件进行了对比。分析表明采用型钢混凝土可以有效降低梁高，提高抗震性能。

（2）当上部框支剪力墙轴线与底部框支框架轴线错开较多时，根据概念设计、规范规程及已有电算手段进行合理的分析，并采取可靠的措施，采用主次梁进行转换是可行的。

（3）当框支剪力墙与框支梁轴线错开时，可以在转换构件关键部位设置抗偏梁，以平衡扭矩及控制变形，此外，抗偏梁的设置可以减小楼板受力，使楼板更可靠地进行剪力重分配。

参考文献：

［1］唐兴荣.高层建筑转换层结构设计与施工［M］北京：中国建筑工业出版社，2002.

［2］李国胜.关于底部大空间剪力墙结构的转换层设计［J］.建筑结构，2001，31（7）：39-42.

［3］YB9082-97钢骨混凝土结构设计规程［S］.

［4］JGJ138-2001型钢混凝土组合结构技术规程.

［5］刘一威.高层建筑框支柱、框支梁及剪力墙偏轴的结构设计［J］.建筑结构，2003，33（9）：37-39.

［6］李勇，娄宇，吴寿泉.上海中欣大厦转换层结构设计［J］.建筑结构，