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鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計論文

本文通過工程實(shí)例綜述了型鋼混凝土轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算要點(diǎn)，分析了鋼筋混凝土轉(zhuǎn)換梁與型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁的區(qū)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)換方案及型鋼混凝土梁的承載能力。

摘要：本文通過工程實(shí)例綜述了型鋼混凝土轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算要點(diǎn)，分析了鋼筋混凝土轉(zhuǎn)換梁與型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁的區(qū)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)換方案及型鋼混凝土梁的承載能力。

　　關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土轉(zhuǎn)換梁；型鋼混凝土梁；結(jié)構(gòu)設(shè)計；

　　0 前 言

　　 某綜合樓是集商業(yè)、賓館和辦公于一體的現(xiàn)代化綜合性高層建筑。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一核心筒結(jié)構(gòu)，6層以上為賓館及酒店式公寓，采用剪力墻一核心筒結(jié)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)這種底部大開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)。

　　

　　圖1 結(jié)構(gòu)平面圖

　　1 確定結(jié)構(gòu)方案

　　 根據(jù)建筑物的功能需要，該工程底部大空間部分的柱子和上部框支剪力墻的位置應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行建筑方案要求，不能隨便調(diào)整，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開較多 (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開的問題。但厚板轉(zhuǎn)換的傳力途徑不清楚，受力也十分復(fù)雜，同時為滿足抗剪和抗沖切的要求，初步計算板厚需要2.2～2.8 m左右。但本工程轉(zhuǎn)換層設(shè)置在地面以上32.4 m處，大體積混凝土在高空施工難度大，而且厚板的巨大重量勢必會增大下部豎向構(gòu)件的強(qiáng)度設(shè)計要求，此外由于厚板的重量集中在結(jié)構(gòu)中部，使得結(jié)構(gòu)整體振動性能復(fù)雜，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，對抗震十分不利。因此，厚板轉(zhuǎn)換層對本工程并不適用。

　　 于是考慮采用梁式轉(zhuǎn)換層，這種方式傳力途徑清晰，并且轉(zhuǎn)換梁受力性能好，施工也比較方便。采用梁式轉(zhuǎn)換時，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，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)計帶來的難題，應(yīng)該突破原有的經(jīng)驗(yàn)和傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)概念，經(jīng)過合理的概念設(shè)計、依托規(guī)范規(guī)程及借助已有電算手段，對主次梁轉(zhuǎn)換形式進(jìn)行詳細(xì)分析�？蛑е鞔瘟浩矫鎴D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)換梁截面尺寸的確定

　　 由于框支梁一般按剪壓比控制，為初步確定轉(zhuǎn)換梁尺寸，按下式進(jìn)行計算：

　　 Vb≤0.15fcbh／γRE(1)

　　 式中為轉(zhuǎn)換構(gòu)件混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計值；b、h分別為轉(zhuǎn)換構(gòu)件截面寬度和高度；V(0.6～0.8)V0，V0為框支梁按簡支狀態(tài)計算的所有重力荷載作用下支座截面剪力設(shè)計值。

　　 現(xiàn)擬定框支梁混凝土強(qiáng)度等級為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。

　　 若采用鋼骨混凝土梁，根據(jù)規(guī)范規(guī)定：型鋼混凝土梁截面尺寸可按下式進(jìn)行計算：

　　 Vb≤0.36 fcbh / γRE(2)

　　 由(1)(2)式比較可知，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％，同時自重的減少可使Vb也減少，進(jìn)而進(jìn)一步降低梁高。

　　 綜上所述，經(jīng)多次試算后，最終采用型鋼混凝土轉(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，抗偏梁見圖3。

　　3 計算結(jié)果分析

　　3. 1 整體計算

　　 為分析主次梁方案的可行性。對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體計算。設(shè)計參數(shù)：采用SATWE、PMSAP軟件進(jìn)行對比計算。風(fēng)荷載按百年一遇取0.45kN/m2；抗震等級：框支框架、底部加強(qiáng)區(qū)均為一級；裙房為三級；地震作用按剪彎剛度分析模型并考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)，共計算24個振型，結(jié)構(gòu)嵌固部位取在±0.000處，計算結(jié)果見表1。

　　3. 2彈性時程分析參數(shù)

　　 選用天然TH1TG035、人工波RH1TG035及ELeentro波進(jìn)行計算。地震加速度時程曲線的最大值為35cm/s2，結(jié)構(gòu)阻尼比取5％。時程分析得到的方向結(jié)果見圖4。

　　3. 3計算結(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4(a)可以看出，曲線在轉(zhuǎn)換層處由剪切型過渡到彎曲型，符合變形規(guī)律，此外，框支層曲線較上部框支墻平緩，說明底部剛度較上部框支剪力墻略小，與剛度比計算結(jié)果符合；

　　 (4)時程分析的最大位移平均值小于反應(yīng)譜法計算的位移值，時程分析的最大樓層剪力與彎矩均小于反應(yīng)譜法的計算值；動力時程反應(yīng)分析復(fù)核結(jié)果表明，不需要調(diào)整整個樓層構(gòu)件的內(nèi)力和配筋。

　　4型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁分析

　　 轉(zhuǎn)換梁為結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，而型鋼混凝土轉(zhuǎn)換主梁在承托自身上部剪力墻的同時還承托轉(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，需要對轉(zhuǎn)換梁截面尺寸進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)過多次試算，型鋼采用三種截面(表2)�？紤]所采用的分析程序在計算型鋼混凝土梁時可能出現(xiàn)偏差，為確保安全，需要對轉(zhuǎn)換梁的承載力進(jìn)行復(fù)核。

　　表1結(jié)構(gòu)整體計算的部分結(jié)果

　　

　　表2型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁

　　

　　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

　　圖4彈性時程分析結(jié)果

　　 根據(jù)程序計算結(jié)果，提取每種型鋼混凝土梁截面對應(yīng)的最大內(nèi)力，并根據(jù)《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》進(jìn)行計算，經(jīng)多次計算并分析、修改程序的配筋，使得每根轉(zhuǎn)換梁承載力均大于程序的分析內(nèi)力。同時，由于該規(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偏于安全的。

　　5 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　 除計算結(jié)果滿足規(guī)范要求以外，為了進(jìn)一步保證結(jié)構(gòu)安全，還采取了以下措施：

　　 (1)由于商場使用功能限制，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。

　　 (2)由于核心筒側(cè)向剛度較大，在布置框支剪力墻時，外圍剪力墻向長度適當(dāng)加長，內(nèi)部剪力墻由于建筑需要，只能適當(dāng)將y向長度加長，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，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，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開，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(圖3)，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)由于轉(zhuǎn)換梁為受力關(guān)鍵部位，且應(yīng)力分布復(fù)雜，在型鋼混凝土框支梁、柱的型鋼上沿全長設(shè)置直徑為22mm、長度90mm、間距150mm的栓釘，以保證內(nèi)力的可靠傳遞。

　　6 結(jié)束語

　　 由上述可知，本文通過建立不同分析模型，對某綜合樓型鋼混凝土框支轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計算分析，并對轉(zhuǎn)換構(gòu)件進(jìn)行了對比。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。當(dāng)上部框支剪力墻軸線與底部框支框架軸線錯開較多時，根據(jù)概念設(shè)計、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。當(dāng)框支剪力墻與框支梁軸線錯開時，可以在轉(zhuǎn)換構(gòu)件關(guān)鍵部位設(shè)置抗偏梁，以平衡扭矩及控制變形，此外，抗偏梁的設(shè)置可以減小樓板受力，使樓板更可靠地進(jìn)行剪力重分配。

　　參考文獻(xiàn)：

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本文編號：129501