框支转换（精选3篇）
框支转换 篇1
摘要：以一高位转换的框支剪力墙结构为实例, 用Satwe和Midas Gen两种有限元软件对转换梁的内力和变形进行了分析比较, 得出了两者的内力值有较大差别, 而位移值则差别不大的结论。
关键词：转换层,转换梁,部分框支剪力墙,有限元
带转换层的底层大空间剪力墙结构于20世纪80年代中开始采用, 近几十年来底部带转换层的大空间剪力墙结构迅速发展, 在地震区许多工程的转换层位置已较高。但转换层位置较高时, 转换层下部的落地剪力墙及框支结构易于开裂和屈服, 转换层上部几层墙体易于破坏。本文通过一工程实例, 用Satwe和Midas Gen两种软件分析了转换梁的受力和变形。
1 工程概况
该工程为框支剪力墙结构, 地下1层, 地下室埋深4.0 m。地上30层 (含裙楼6层) , 地面以上高度为98.2 m。设梁式转换层, 位于主体的第6层, 属于高位转换。建筑抗震设防类别为丙类, 设防烈度为6度, 设计地震分组为第一组, 设计地震加速度0.05g, Ⅱ类场地。根据文献[1][2], 确定主体框架抗震等级为二级, 抗震墙三级, 框支柱、框支梁和底部加强区剪力墙均为一级。
选取的转换梁 (框支梁) 截面是1 000 mm×2 000 mm, 跨度是7.2 m, 总长度14.4 m, 由于转换层以上都是剪力墙结构的住宅, 因此转换梁共托起25层高的剪力墙。转换梁下设框支柱3根, 并且其中一根框支柱与电梯井相连, 框支柱截面大小为1 200 mm×1 200 mm, 转换梁与框支柱的混凝土强度均为C50。
2 结构建模
在Satwe有限元软件中, 将结构定义为部分框支剪力墙结构, 恒活荷载的加载方式选择模拟施工加载3, 风荷载考虑顺风向风振影响, 地震信息中结构为不规则结构, 考虑偶然偏心以及双向地震的影响。整体结构模型见图1。
Midas Gen建模时, 为便于计算与分析, 这里选取了一个住宅户型的转换结构进行分析, 整体结构模型采用混合有限元法。首先, 用Midas Gen的快速建模菜单建地面以上5层的框架结构部分, 建模时不考虑地下室的部分, 直接在地面上嵌固;然后将第6层楼面定义为转换层, 由于研究表明转换梁是一种偏心受拉构件, 转换梁和上部一层剪力墙共同受力, 因此需分析它们共同工作时的受力特征和变形值。在有限元网格划分时, 将梁、柱、墙单元网格尺寸控制在1.0 m以内, 分析表明支承转换梁的框支柱对转换梁的应力分布和内力大小影响很大, 为提高应力和内力的计算精度, 将框支柱的网格尺寸定义为0.5 m。转换结构的模型如图2所示。
3 转换梁内力分析
Satwe的特殊构件定义时, 指定第6层结构平面上托起上部25层剪力墙的梁为转换梁, 并将梁的抗震等级定义为一级。从标准构件内力简图中, 查得转换梁的正弯矩最大为8 468.5 k N·m, 负弯矩绝对值最大值为-3 928.8 k N·m, 剪力最大值为5 956.3 k N。
按文献[2]中的5.4.1式在Midas Gen中进行荷载组合, 为考虑到有限元分析的准确性, 将楼面恒载、梁的自重和活荷载等均转换为等效重力荷载, 得到的梁弯矩图如图3所示, 剪力图如图4所示。从图3中可看出转换梁最大正弯矩为8 121.8 k N·m, 负弯矩绝对值最大值为-32 457.8 k N·m。图4中转换梁剪力最大值为6 741.3 k N。
根据上面的结果, 可以得出Satwe有限元软件得出的转换梁弯矩值偏大, 而剪力值却比Midas Gen偏小。
4 结构位移分析
在高层建筑结构中应限制结构层间位移, 主要目的有两点:1) 保证主结构基本处于弹性受力状态, 对钢筋混凝土结构来讲, 要避免混凝土墙或柱出现裂缝;同时, 将混凝土梁等楼面构件的裂缝数量、宽度和高度限制在规范允许范围之内。2) 保证填充墙、隔墙和幕墙等非结构构件的完好, 避免产生明显损伤。控制层间变形的参数有三种:即层间位移和层高之比 (层间位移角) ;有害层间位移角;区格广义层间变形。在本文中, 作者主要通过层间位移角来控制层间变形。图5是Satwe后处理图形文件中得出的在X向地震作用下的最大楼层位移为28.7 mm。图6是Midas Gen中X向地震作用下的位移变形图, 最大楼层位移为46.3 mm。因此, 在相同条件下, Midas Gen计算出来的楼层位移值比Satwe偏大。
5 结语
本文分析的在第6层转换的部分框支剪力墙结构属于复杂高层, 按照文献[1]要求应采用至少两个不同力学模型的结构分析软件进行整体分析, 而本文通过Satwe和Midas Gen对其进行分析的结果是:
1) Satwe得出的转换梁的弯矩值比Midas Gen偏大, 而剪力值却偏小。2) 水平地震作用下的楼层位移值, Satwe得出的值要比Midas Gen小。在实际工程中, 应当以两种软件得出的最不利的结果进行设计, 这样会偏于安全。
参考文献
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[2]GB 50011-2010, 建筑抗震设计规范[S].
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[5]孙建文.高层建筑结构概念设计初探[J].山西建筑, 2013, 39 (2) :48-49.
框支转换 篇2
1 试验概况
1.1 试件几何尺寸
该试验模型结合实际工程原型结构进行简化、调整, 并按1/3缩尺确定试件尺寸。三个试件编号分别为SJ-1、SJ-2、SJ-3。几何尺寸简图如图1所示, SJ-2除增加加腋部分外, 其余尺寸与SJ-1相同;SJ-3除增加斜柱及加大传力梁截面外, 其余尺寸与SJ-1相同。
1.2 加载装置及加载制度
试验装置简图如图2所示, 试验加载制度参照文献, 首先按均匀的若干步对试件施加竖向荷载, 达到设计值后, 保持其在整个试验过程中恒定不变。然后在上下两个水平加载点同步施加低周反复荷载。在试件转换梁纵筋达到屈服以前, 采用荷载控制, 寻找开裂荷载和屈服荷载时, 加载步距放小;在转换梁的纵筋屈服以后, 采用位移控制, 即以转换梁中心线水平屈服位移Δy的整倍数控制加载, 每级加载循环二次, 直至水平荷载下降至最大承载力的85%时, 即认为试件失效, 终止试验。屈服位移Δy的寻找是通过数据采集系统追踪转换梁控制截面处的钢筋应变, 当达到屈服应变时, 转换梁端位移计位移所测出的位移即看作试件的屈服位移Δy。对原型结构进行计算, 得出每一层的水平地震力, 将原结构转换层以上的各层水平地震力叠加, 形成一个总作用力, 作用在上层加载点位置, 将转换层的水平地震力作用在下层加载点位置。根据实验室的条件, 为加载操作控制方便, 取上下两层加载力的比例为2∶1。
2 结果分析
2.1 试件破坏机制
从破坏过程及应变片分析可以确定结构的屈服机制。试件SJ-1在转换梁中部与剪力墙连接且靠近净跨处首先出现塑性铰, 其次转换梁节点两端形成塑性铰, 在柱端出现贯通裂缝后, 形成柱铰机制, 随后底层柱脚开始屈服并最终形成塑性铰。试件SJ-2在转换梁两端首先形成塑性铰, 梁上出现贯通裂缝, 形成梁铰机制, 随后底层柱脚开始屈服并最终形成塑性铰。在接近极限荷载时, 梁端出现混凝土压碎, 纵筋受压屈曲现象。试件SJ-3在墙间转换梁两端首先出现塑性铰, 形成梁铰机制, 而框支柱、斜柱、短肢墙在后期裂缝发展很少, 最终以铰1、2处混凝土压酥且大面积剥落并造成整体结构承载力大幅度下降而宣告破坏。由钢筋应变实测值, 可以得出结构屈服及塑性铰的形成先后部位关系, 如图3所示。
2.2 P-Δ滞回曲线分析
三试件转换梁端的P (荷载) -Δ (位移) 曲线如图4所示。试件滞回曲线初期均呈梭形, 后期略呈反S形, 正向残余位移比反向稍大, SJ-3中间有较明显的"捏拢", 但整体还比较丰满, 而SJ-1和SJ-2滞回曲线中间无明显捏缩。
2.3 刚度退化分析
将实测数据处理后, 可以得到三试件关系曲线, 如图5 (a) 、 (b) 所示。由图所见, 刚度衰减的过程可以分为三个阶段:构件屈服前为刚度的速降阶段, 此后构件刚度降低速度有所减缓, 四倍屈服位移后到结构的最后破坏阶段为刚度的缓降阶段。试件SJ-1、SJ-3正反两个方向刚度衰减趋势基本相同且两个方向刚度差别很小, 而试件SJ-2正向荷载刚度蜕化的趋势比反向荷载刚度蜕化明显, 且正向荷载下刚度大于反向荷载下刚度, 这可能由于正向荷载作用下构件的损伤而降低了反向荷载作用时的构件刚度, 构件接近破坏时, 正反方向荷载作用下的刚度又趋于相同。三个试件正反方向初始刚度对比显示, 试件SJ-3结构转换层的刚度有了明显的提高, 转换框架与斜柱形成了一个刚度较大的简单转换桁架, 可减缓转换层上下刚度的突变, 可有效避免结构薄弱层的形成。
3 结语
在框支短肢剪力墙结构中采用梁端加腋或斜柱的方法, 增强了转换梁在支座区段的抗剪能力, 可以有效地降低梁的截面的尺寸, 从而增加转换层的使用净空。另外通过加腋和斜柱辅助的转换梁结构, 使整个结构的破坏机制得以改善, 延性和耗能有了明显的提高。短肢墙裂缝数量及大小适中, 无明显的破坏现象, 使得净跨段形成剪切破坏的耗能机制, 避免梁柱节点和柱角部位过早出现塑性铰。
参考文献
[1]赵西安.高层建筑结构使用设计方法[M].上海:同济大学出版社, 1991.
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[4]卢挺.框支短肢剪力墙结构中斜柱式与梁式转换结构的抗震试验研究[D].重庆:重庆大学, 2006.
[5]倪忠, 钟树生.框支短肢剪力墙梁式转换结构的抗震性能试验研究[D].重庆:重庆大学, 2006.
框支转换 篇3
近些年高层建筑发展迅速，对建筑功能的要求也日益扩大，很多建筑集餐饮、娱乐、商场、办公、公寓于一体，致使有的建筑上下楼层使用条件完全不同，布局各异，这就出现了因上下结构形式或柱网尺寸的不同而必须设置转换层的情况。框支剪力墙结构是一种广泛应用于底部大开间上部小开间的结构，由于整体结构上下构件不连续，转换层的上部荷载通过剪力墙传给转换梁，然后再传给下部的框支柱，荷载的传递路径发生的突然改变，使得转换层的设计显得尤为重要。目前在实际工程中广泛应用的有实腹梁转换、厚板转换、桁架转换等。实腹梁转换构件截面尺寸大、自重大，且易引起转换层上、下层刚度突变，对结构抗震不利;厚板转换受力复杂，传力路径不明确，结构受力不合理;桁架转换杆件节点构造复杂，施工繁琐[1]。近几年一些其它的转换形式也逐渐被广泛应用于实际工程中，例如:斜柱转换。本文通过一工程实例对斜柱转换和实腹梁转换的计算结果进行对比分析，斜柱转换的受力、变形特点，为斜柱转换的工程应用提供理论依据。
1部分框支剪力墙结构的设计要点
1.1转换层与其相邻上层结构的侧向刚度比
部分框支剪力墙结构的转换层及其以下部位为框架-剪力墙结构，转换层以上为剪力墙结构，由于转换层上下的竖向抗侧构件不连续，使得转换层上下的刚度发生突变，转换层易形成薄弱层。《高规》[2]对结构转换部位的侧向刚度比在3.5.2条的基础上又提出了新的要求，根据转换层所设位置的不同分别采用剪切刚度比和剪弯刚度比来确定转换层与其相邻上层结构的刚度比，转换层所处的位置越高，要求越严格。当转换层位于1、2层时，采用剪切刚度比，剪切刚度与楼层的竖向抗侧力构件(柱、剪力墙)有关，不受楼层地震剪力的影响;当转换层设置在2层以上时，采用楼层的侧向刚度比和楼层的剪弯刚度比控制转换层与其相邻上层的刚度比，目前国内的一些结构设计软件都可得到这三种刚度比。此处对刚度比的严格要求可以有效地防止转换层上下的刚度相差太大，避免层间构件的内力发生突变。
1.2结构的嵌固部位
对结构底部嵌固层，《高规》[2]要求其与相邻上层的侧向刚度比采用考虑层高修正后的比值，且不宜小于1.5。有地下室的高层建筑，当地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时，地下1层与首层侧向刚度比采用剪切刚度比，且不宜小于2，同时为了保证地下室顶板具有足够的平面内刚度，其厚度不宜小于180mm，且地下室必须为完整的地下室，新《抗规》中已取消了对地下室层数的要求。工程实例分析表明，地下室层数的准确确定对结构楼层的位移比会产生较大的影响。
1.3 0.2V0系数调整
在框架-剪力墙结构中，为了保证框架部分在地震作用时发挥其第二道防线的作用，框架部分承担的地震剪力不宜太小。但按结构的侧向刚度分配时，框架部分分得的剪力往往比较小，不能发挥其作为结构第二道防线的作用，因此当计算所得的框架部分的剪力太小时，需要对其按照结构底层总剪力的20%和1.5Vf,max(Vf,max为各层框架承担的地震总剪力中的最大值)中的较小值进行调整。部分框支剪力墙结构中，转换层的楼板在其平面内的刚度并不是无限大，相反会有很大的面内变形，从而导致框支柱的剪力增大，在落地的剪力墙开裂刚度下降后，框支柱的剪力也会增大。因此根据转换层的位置不同和框支柱数目的多少也应对框支柱的剪力进行调整。综上所述，对于框支剪力墙结构中的框支柱应同时考虑《高规》[2]8.1.4条和10.2.17条对框架部分地震剪力的调整。
2斜柱转换的工程应用
斜柱转换也称为斜撑转换，主要用于楼层上下柱网不一致，或需要梁托柱的结构中，一般主要应用于结构的局部转换。在这些结构中，由于上下柱子不连续，如采用梁托柱转换，竖向荷载传递不直接，转换梁的截面尺寸也需很大，影响了结构的使用功能。采用斜柱转换可以有效降低转换梁的截面尺寸，合理利用建筑空间，降低结构自重，避免转换层上下刚度发生突变，传力更直接。例如:沈阳华利广场[3]利用斜柱将上部柱子的荷载传给了核芯筒，传力更直接，同时大大减小了转换梁的截面尺寸，改善了其受力性能;福州香格里拉酒店主楼[1]利用“V”形斜柱转换将上部结构两排柱的荷载传给下部的一排柱，这种转换上、下层刚度几乎没有变化，竖向荷载传递更明确。鉴于斜柱转换的各种优势，斜柱转换也正在逐步应用于框支剪力墙结构中，但主要是针对短肢剪力墙[4]，需要研究斜柱—转换梁托剪力墙对结构整体受力、变形的影响，为工程应用打下理论基础。
3工程实例分析
3.1工程概况
本工程位于贵州省平坝县，为框支剪力墙高层住宅建筑。结构设计使用年限为50年，抗震设防烈度为6度，设计地震分组为第一组，地震基本加速度为0.05 g，建筑场地类别为Ⅱ类，基本风压为0.3 k N/m2，地面粗糙度类别为B类。建筑总高度为98.35 m，地上共33层，地下为1层，作为停车场使用，地下室及地上1层带有裙房，地上1层为商铺，转换层位于地上第2层，其层高为4.2 m，作为设备层和仓库使用，3层及3层以上为剪力墙结构。转换层建筑平面见图1，建筑标准层平面见图2。
3.2斜柱在转换层的平面布置
本工程转换层层高为4.2 m，采用实腹梁转换时，转换梁的截面高度最高为2 200 mm，严重影响了结构的使用功能;同时由于转换层与其相邻上层刚度比差别很大，造成了楼层层间承载力在转换层处产生突变。为了解决以上问题，本工程考虑在不影响建筑原有使用功能的基础上，在结构的周边适量布置斜柱，以降低转换梁的高度，解决转换层上下刚度突变的问题。本工程在框支剪力墙的下部布置斜柱，斜柱的截面尺寸为450×450mm，斜柱一端与转换层中转换柱的柱脚连接，另一端与转换梁连接，转换层上部剪力墙的布置以及斜柱在转换层的布置详见图3～4。
3.3斜柱转换和实腹梁转换的结构性能对比分析
(1)结构的自振周期。
(单位:s)
由表1可知，斜柱转换和实腹梁转换的结构自振周期都满足《荷载规范》[5]T1=(0.05～0.10)n的要求，同时满足结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期的比值不大于0.85的规定。上表中斜柱转换的自振周期略大于实腹梁转换的自振周期，这是因为为了使实腹梁转换的刚度比和承载力之比满足规范规定，加厚了其落地剪
(2)结构整体水平位移。如下图5～6分别为地震和风荷载作用下结构的水平位移，B表示实腹梁转换，C表示斜柱转换，X表示X方向的位移，Y表示Y方向的位移。从图中可知斜柱转换在地震作用和风荷载作用下与实腹梁的水平位移有一定的差别，在X方向斜柱转换的水平位移小于实腹梁转换的水平位移，Y方向斜柱转换的水平位移大于实腹梁转换的水平位移，由于结构整体X方向的刚度小于Y方向的刚度，因此结构整体水平位移X方向大于Y方向。
(3)转换层与其相邻上层结构的等效剪切刚度比。
(单位:107kN/m)
由表2可知，斜柱转换和实腹梁转换的剪切刚度比在X、Y两个方向都满足不小于0.5的要求，转换层上层二者的结构布置和剪力墙的截面尺寸没有变化，因此二者的剪切刚度变化不大。斜柱转换结构中在转换层X、Y方向布置的斜柱显著提高了转换层的剪切刚度，使转换层上下的刚度比更易满足要求，同时可以在满足框支柱和落地剪力墙轴压比的情况下减小其截面尺寸。
(4)转换梁截面高度的降低。本工程在布置斜柱的位置降低了转换梁的截面尺寸，以取得更多建筑使用空间。如表3所示列出了斜柱转换和实腹梁转换的部分转换梁截面尺寸，从中可以看出在布置斜柱之后转换梁的截面尺寸明显减小。
(单位:mm×mm)
4结论
(1)斜柱转换在结构的周期和整体水平位移方面与实腹梁转换相差甚微，能取得与实腹梁转换相同的地震反应效果。
(2)斜柱转换能明显的改善转换层与其相邻上层结构的侧向刚度比，避免层间刚度突变，传力直接、明确，同时在竖向构件的轴压比满足要求的情况下可以适当的减小该竖向构件的截面尺寸。
(3)斜柱转换能降低转换梁的截面尺寸，取得更多的建筑使用空间。
摘要：本文从转换层与其相邻上层结构的侧向刚度比、结构的嵌固部位以及0.2V0系数调整这三个方面,总结了框支剪力墙结构设计时应注意的问题。介绍了斜柱转换在工程中的应用,并对一实际工程分别采用斜柱转换和实腹梁转换的计算结果进行对比分析。结果表明:斜柱转换能明显改善转换层与其相邻上层结构的侧向刚度比,降低转换梁的截面尺寸,节省建筑的使用空间。
关键词：框支剪力墙,斜柱转换,实腹梁转换,侧向刚度比
参考文献
[1]张维斌.钢筋混凝土带转换层结构设计释疑及工程实例[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.
[2]JGJ3-2010,高层建筑混凝土结构技术规程[S].
[3]李豪邦.高层建筑中结构转换层的新形式—斜柱转换[J].建筑结构学报,1997,18(2):41-45.
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