转换 层 层 高 较 高 时

第十九届全国高层建筑结构学术会议论文２００６年转换层层高较高时　　　　　　　　上、下结构侧向刚度比控制的讨论张伟王群梁兴文〔香港华艺设计顾问（深４心有限公司深圳５１８０３１）（西安建筑科技大学西安７１００５５提要；针对较高转换层层高的框支剪力墙结构体系，讨论采取何种措施可有效地控制和体现转换层上、下刚度突变。提出对转换层位于Ｉ层的情况，不仅须按规范相关规定计算剪切刚度比夕，使其满足限值要求，而且还应制转换层上、下等效侧向刚度比儿和楼层侧向刚度比ＹＩ，才能较真实地反映转换层及其相邻楼层匕下侧向刚度的分布情况。另外，分析了转换层层高改变对结构各项指标的综合影响，并提出《高规》规定的刚度比指标尚待解决的问题，以及改进此类结构体系抗展性能的设计建议，供同类工程参考．关键词：框支剪力墙结构，等效侧向刚度比，嵌固端，最大层间位移角１前言在框支剪力墙结构体系中，为保证地震作用下转换层附近不出现层间变形（　　　　或楼层侧向刚度）突变，《高层建筑混凝土结构技术规程》ＩＩＩ（以下简称《高规》）规定以控制转换层上、下结构侧向刚度比的方法加以保证，针对转换层所在楼层位置的不同，给出相应简化计算方法。对于转换层分别位于１层、大于１层、３层或３层以上的情况，分别采用等效剪切刚度比Ｙ，等效侧向刚度比儿和楼层侧向刚度比Ｙ，加以控制，相应的计算公式和限值如下：Ｙ＝Ｇ，　ＡＺＧ，Ａ，ｘ　ｈｈ，ｌ　：５２（１）ｙ，＝当互王：Ａ２Ｈ，５１．３（２）Ｋ，之Ｋ‘　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｋ；　ｚ　Ｋ；＋，１１　・．６０％　０％　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（３）　　　　由以上三式可见，式（１）与转换层和相邻上部楼层的混凝土强度等级、墙柱的截面面积及其层高有关，若结构平面布置和材料性能保持不变，转换层层高ｈ，与Ｙ成正比。理论上认为，当ｈ，大于某值时，，超出规定限值，即可认为转换层上、下层刚度发生突变，结构体系已不满足抗震要求，须重新调整结构竖向构件的平面布置形式。式（（２）将控制结构刚度突变的层数有所扩大，其范围从嵌固端（地下室顶板或基础顶面算起）到转换层，以及转换层上部若干层，分别对应的总高度为Ｈ．　ＨＺ，其中Ｈ２＿＜Ｈ。式（３）实质上同式（２）是一致的，所不同的是仅与转换层及其相邻上一层的刚度相关，为了与式（（１），　（２）在表达形式上一致，式（（３）可化为ＹＩ＝粤！５１．（ａ）人Ｉ　　　　　　６７张伟，男．１９７３．５出生，工学硕士，一级注册结构工程师第十九届全国高层建筑结构学术会议论文２００６年式中：Ｙ：为楼层侧向刚度比；Ｋ，，　Ｋ；　＋ｉ分别为转换层和转换层上一层的侧向刚度。　　　　以上措施均是为了控制上部楼层与转换层以下楼层的侧向刚度比，以避免由于下部楼层刚度过小而引起较大的集中变形，形成薄弱层。实际１程中，由于建筑立面或场地的需要，会遇到底层大空间较高的情况〔　　　　该层层高达到８－　ｔｏｍ，是标准层层高的３－４倍），则转换层１层的高度就可能与《高规》规定的普遍意义上的高位转换（转换层位置在３层或３层以上）所处高度相当，可认为是另外一种意义上的“高位转换”。随之带来的问题是若仅采用剪切刚度比Ｙ是否仍能准确反映转换层上、下层刚度变化的情况，值得商榷。若补充计算等效侧向刚度比Ｙｅ和楼层侧向刚度比Ｙ１，是否能更真实地反映转换层及其相邻楼层侧向刚度？若能反映，可在工程设计前期，就能把握结构体系的薄弱环节，针对关键部位可采取有效加强措施，对工程后期施工图设计起到指导作用。另外。判断带转换层的结构体系是否合理，刚度比的控制仅为其中一项指标，随着转换层层高和楼层位置的不同，不仅带来转换层刚度比的变化，还可能引起其它各项指标（如：周期、层间位移角、扭转位移比等）的改变，以至于出现不能满足规范相关规定的情况。由此可见，结构体系某一项指标改变，引起的变化是多方面的，如何找到经济合理、安全可靠的最佳平衡点．是结构工程师面临的问题。本文拟对通过工程实例的分析，研究具有较高转换层层高的框支剪力墙结构体系中，控制转换层上、下侧向刚度突变的有效方法，提出设计建议，供同类工程参考。２工程实例分析　　　　该工程位于广东省深圳市华侨城片区，共计七栋塔楼，地下部分通过车库连为一体。其中有四栋塔楼平面形式呈“Ｔ”形，结构平面布置基本相同，仅下部凸出部分由于户型的不同略有差别，各栋塔楼地面以上主体总高度均在ｌｏｏｍ左右（图１）。为适应建筑物地下室作为车库、底部几层用于商业、上部标准层作为住宅的功能需求，结构形式选用框支剪力墙结构。抗震设防烈度７度，设计地震分组第一组，剪力墙和框架抗震等级二级淇中２Ｃ栋底部加强层抗震等级为一级），场地类别１１类。根据本工程场地地震安全性评价报告［［２１提供数据，多遇地震水平地震影响系数ａ＿，＝０．０９７，特征周期Ｔｇ　０．３８ｓ，均略大于《高规》规定的相应值。基本风压按以下规定取值：计算风荷载作用下结构水平位移时，采用５０年重筑场地的特殊性以及建筑立面风格的要求，该组建筑有以下特点：第一，转换层层高较高（２Ｃ栋除外），８．０＾－９．０ｍ不等；第二，建筑场地为坡地，建筑规划要求，地下室和转换层现期风压值，取０．７５　ｋＮ／ｍ＇：其它情况采用１００年重现期风压值，取。．９０　ｋＮ／ｍ＇。由于建３Ａ栋３Ｃ栋圈ｔ各拣立面示泛圈２Ａ栋２Ｃ栋２０２第十九届全国高层建筑结构学术会议论文２００６年以下的层数、层高各不相同；第三，由于转换层上、下竖向构件不贯通，转换层有较多的二级次梁转换，传力途径复杂。根据《广东省超限高层建筑工程抗震设防审查细则》阔有关体型特别不规则的定义，　　　　六项指标中有三项不满足，具体包括：１扭转不规则（楼层的弹性最大水平位移与平均位移比值大于１．２，扭转不规则程度属１类）；２狭长、凹凸不规则（结构平面下部伸出长度与该方向结构总尺寸比值柑ｍａ＝ｘＯ５６》０．３５）；３．竖向抗侧力构件不连续（转换层上下墙柱不连续，属ｎ类）。即竖向抗侧力构件不连续属ｎ类，同时存在另外２项不规则，判定结构体系属于体型特别不规则，应中报超限高层建筑工程抗震设防专项审查。在满足建筑功能的前提下，采取有效的加强措施，可满足《高规》规定的各项基本指　　　　标要求。计算结果表明，各栋塔楼周期、扭平周期比，最大层间位移角和扭转位移比（表正、）２均能达到限值要求，其中最大层间位移角限值按１８／０控制闭。表１各栋周期及周期比丁了Ｔ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｉ栋号周期（）５，扭转系数ｎＴ．｝｛”，一｝几ｎ，Ｔ、一｛，，Ｔ刀１２Ａ２．９０７９０乃１２．５３６４０力３２刀８６８Ｑ．９６０７１９２Ｃ２７５６８０乃１一｝２．２５４３００７１月３１７｝｝０，２０．７００３Ａ２．８３８４０００２４２６８０力１２１４２８０．９９０７５５３Ｃ｝２名７３３０刀１１２．２０５６０刀３２．０５７１０，５１０刀１６表２各栋最大层间位移角。及扭转位移比“一扭转位移比“号终最大层间位移角ｅ０：１一控制工况｝ｘ方向一所在楼层｝｝丫方向｝ｅ，１一控制工况所在楼层八｝６一内Ａ２一一风荷载１１１／１１７７双向地震２０１３１｝｝二２０１１｝鸿２５１２Ｃ／１０４雀一｝双向地展｛｝１８一１１／１４０８１｝双向地震１２０１．２１１２３３Ａ１／１０９９风荷载ｌ８１／１４４９双向地震工，１．ｔＺ１０９３ｃｌ｝１阴，１｝风荷载｝１１４１／１２３８双向地震｝󰀀一󰀀９｝１，１４｝｝ＩＪｇ３转换层上、下刚度比控制的讨论　　　　基于上述各项指标的计算结果，就一般结构体系而言，基本可实现规范规定的抗震要求，但对于本文所研究的具有较高转换层层高的框支剪力墙结构体系，转换层及其临近楼层刚度比的控制是结构体系是否合理的一个重要指标。３１各栋三项刚度比指标的比较分析　　　　四栋塔楼具有相似的平面布置形式，但转换层层数分别位于１￣３层，由于该建筑形式的特殊性，转换层层高超出了常规意义上的层高范畴，从结构稳定的概念出发，较高的底层层高需要刚度较大的竖向构件支撑，才能保证具备“下强上弱”的结构体系。另外，考虑转换层竖向构件大部分不能上下对齐，导致转换层中带次梁的二级转换较多，受力复杂，需较大截面尺寸的转换梁来保证竖向不连续构件的传力要求，势必要求转换梁与框支柱（或称之谓“框支培”）截面尺寸应相当，二者刚度不能相差太悬殊。综上所述，取转换层以下核心筒体墙厚６００ｍｍ。大部分“框支墙”截面尺寸取让８加以３．３ｍ，即墙长大于四倍的墙厚，仍然可认为是一般剪力墙１老高钡》第１　　　　　　０＿－２３条条文说明指出：当底部大空间为１层的框支剪力墙结构符合等效１３。２０３第十九届全国高层建筑结构学术会议论文２００６年表３各栋转换层三项刚度比指标转换转换臂层　　层剪切刚度比下等效侧向刚度比７＂墟Ｍ％）９ＡＪｈＹ，所在层尚楼层（ｍ）７．转换层以了Ｙ下层数　　ＨＩ（ｍ）ＩＢ｝Ａｍ＃ＡｖＨｚ（ｍ）７ａＹｈ下Ｉ．７１Ｙ２人｝３｝７８一｝２一｝１１．８０’｛３９．２３０．４７２１　０．５２９｝１．０６０１　．１０４５２Ｃ）４｝５．８３一１　１４．８０４１２．２３｝０．３８３０．５０６一８９１３Ａ｛９．０１－一｝１．６６８ｌ２｝１．１５８一｝ＩＦ一　９．００｝３１６．２３｝０．５９５｝１１　１０．　８７５｝０．０．　７００｝１．０８７｝｝０９９礴３Ｃ｝２｝８０】１．４２３１１．０１６１１Ｉ１民。Ｉ２石２３一｝０．５５０｝｝０．６１７一１０．８５１　Ｉ｝０吕７６几、，３Ａ栋最大层间位移角曲线２Ｃ栋．大层间位移角曲经｝，毙，〕』魂、ｎ飞ｎ，‘．月汽‘Ｒ毙，子‘０几乙６，月山峪八‘４，，走儿，，￣朴，‘ｎ｝２０，Ｉ曰砚一Ｘ方向１口臼一Ｘ方向Ｊ．了１口｝ｙ方向１‘－ｙ方向幻１‘ｑ１月，，．且，‘１勺‘ＩＪｎＵ１八幻口月兑‘乙Ｕ们‘，月峪内‘ｎ引０　　　０．０００２５　０．０００５　０．０００７５０．００１０　０．０００２５　０．０００５　　０．０００７５　　０．００１圈２３Ａ．ＺＣ株．大层间位移角曲纽侧向刚度比的高度要求时，也可采用该指标控制。本工程３Ａ，　３Ｃ栋属于此种情况，其中２Ｃ栋转换层位于三层，属于高位转换的范畴，则相对于其它三栋而言，结构抗震有更高的要求，要求底部加强层抗震等级提高一级，落地墙、框支柱和梁弯矩、剪力设计值对应的增大系数变大，墙肢轴压比限值由０．６降低到０．５，从严控制。相应加强措施为墙肢混凝土强度等级依次逐级提高，框支梁截面尺寸加大。相对而言，该栋工程造价要稍高。为真实地反映结构转换层刚度变化情况，对转换层位于１层的３Ａ，　３Ｃ栋分别计算了三项刚度指标：对转换层位于２，　３层的２Ａ，　２Ｃ栋，计算Ｙｅ、”，由表３可见，各项指标均能满足限值的要求。　　　　对比３Ａ，　３Ｃ栋转换层剪切刚度比，，Ｘ方向３Ａ栋大于３Ｃ栋，原因是该方向二者墙柱数量和长度接近，但前者转换层层高ｈｌ大于后者：而ｙ方向两栋Ｙｒ值接近，除上述原因外，３Ｃ栋ｙ方向墙柱面积大于３Ａ栋。通过该指标可反映，剪切刚度比）指标是转换层上、下层高和墙柱面积综合影响的结果。在墙肢数量和一长度保持不变的前提下，较高的转换层层高是加剧结构上、「刚度比突变的主要因素。分析四栋塔楼等效刚度比Ｙ．，无论转换层位于几层，其值均与限值１．３尚有较大的余地，其中２Ｃ栋Ｙ．仅为０．３８３，说明转换层下部计算模型侧向刚度远大于上部计算模型的侧向刚度。对比楼层侧向刚度比ＹＩ，除２Ｃ栋以外，其余二栋虽转换层层高远大于上一层层高，但计算结果表明：转换层侧向刚度仍大于其上一层侧向刚度。另外，比较各栋塔楼．２０４＂第ｉ」九届全国高层建筑结构学术会议论文２００６年层间位移角沿楼层的分布情况，以３Ａ．　２Ｃ栋为例，选取最大层间位移角所对应Ｔ－况的层间位移曲线图（图２），其共性的问题是：转换层及其以下楼层的层间位移均较小，从转换层上一层开始，随着楼层的增加，层间位移角增加幅值较快，大致在塔楼０．５倍总高度附近达到最大层间位移角。而转换层下部楼层的层间位移角均远小于上部标准层的层间位移角。在某些工况下，转换层及其下部楼层的层间位移角很小，甚至可以忽略不计。以上分析均可得出一致的结论：转换层下部计算模型的侧向刚度远大于上部计算模型的侧向刚度。此类结构体系可近似理解为：在侧向力作用下，转换层及其以卜楼层相对于嵌固端侧移很小，可忽略不计；即转换层相对于上部结构具有较大侧向刚度，转换层楼面可视为上部结构另一个“嵌固端”。上部结构相对于转换层楼面发生水平往复振动。说明结构薄弱层不可能出现在转换层及其下部楼层，而是转移到转换层以上的楼层．不可能形成对抗震不利的下弱上强的“鸡腿型”结构，这正是结构抗震设计所希望达到的目的，显然剪切刚度比Ｙ指标不能有效地反映以上结论。底部几层均匀布置的较大截面尺寸的落地墙、柱不仅满足了较高转换层层高带来的对结构整体稳定的要求，而且也是保证转换层下部楼层具有较大抗侧刚度的主要措施，即便是转换层位于三层的２Ｃ栋，采取如上措施，转换层上下刚度比也得到了较好的控制。３．２转换层层高的改变对结构各项指标的影响　　　　为更深入了解转换层层高变化对结构整体抗震性能的影响，以３Ａ栋为例，在不改变影响结构抗震性能各项因素（包括材料强度、结构平面布置及其梁柱截面尺寸等）的前提条件卜，仅改变转换层层高，对比由此引起的结构体系各项指标的变化规律。在计算等效侧向刚度比Ｙ．时，为便于说明问题，使得转换层上一层层高与转换层层高成整数倍关系，该组算例将转换层上一层层高由３．２３ｍ改为３．００ｍ．。本文取３Ａ栋转换层层高分别为９ｍ．ＩＯｍ．ｌｌｍ和１２ｍ四种情况，计算结果汇总详见表４ｅ表４　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　３Ａ栋各项指标统计转换层周期及扭平周期比最大层间位移角佃明向层高及所在楼层　　剪切刚度比ｒ等效侧向刚度比Ａ糯比７１ｈ（ｍ）Ｔ，Ｔ刀Ｔ，０，楼层０，＞ｚｒ．ｒ，７－Ｙｅｙｒｌ｝少１，９２．８２６２．１３２一１０．　７５４一８一１２．　８４３ｒ／川。｝１｝１／１４１。一｝１６１１．７９６１１　２４７｝０．６０９　１一以０９１．１０７１０一一０．７１１｝２．１３９０．７７０一｝１／１０９５一Ｉ　ｉｓ一／１０８１１１／１４０３　一Ｉ巧Ｉ｝１．９９６１１．３８５　Ｉ｝０．６５２１０．７４６　１一１．４３１｝１　２８４Ｉ孟２．８６１｝２．１４５０．７５０！Ｉ１８０６７１　　１７一｝１／１３９６一｝巧一｝１／１３８８一｝１６１２．２．　３１９６一９５一｝｝１１．．６６２一５２４一１１０．０．　　６９１！｝０．７７４一７２６　１｝１．６７川１．４７３性２２．８７９２．１８１｝０．７４７｝１／１一０．７９７　１一１．９２８　１１．６７２　　　　由上表可见，周期随转换层层高的增加而增加，但扭平周期比Ｔ，　ＩＴ，变动幅值很小，说明结构整体抗扭性能基本未受到转换层下部楼层层高改变的影响。其余各项指标总的变化趋势均为随层高的加高逐渐增大，其中最大层间位移角变化幅值较小，在限值范围之内。显然各项指标中起控制性因素的为转换层上、下结构刚度比，当转换层下部楼层层高ｈ＝ｌＯｍ时，各项指标均能满足规范要求，该层高成为转换层下部楼层层高的上限。ｈ分别为ｌｌｍ．　１２１ｈ时，剪切刚度比和楼层侧向刚度比均有部分超出限值，刚度比突变已经不能满足抗震的要求。理论上转换层最大允许层高以ｌ　Ｏｍ为界限，超出该值须调整平面布置方可。三项指标中，等效侧向刚度比Ｙ＜均在限值范围之内，若单纯以该指标衡量，即便转换层下部楼层层高增加到１２ｍ，理论上也可接受，但显然其它两项刚度比指标不满足要求。通过以上对比分析，发现对转换层下部楼层刚度突变的衡量不能仅通过其中某一项指标简单加以判断，特别是针对本文所探讨的较高转换层层高的特殊结构体系尤显重要，只有三项刚度比指标综合判定，方可有效控制转换层上下结构刚度的突变。２０５第十九届全国高层建筑结构学术会议论文２００６年３．３刚度比指标适用性的讨论　　　　通过以上算例分析，不难发现目前《高规》提出适用于不同情况下的三项刚度比指标尚有其局限性，对于某些特殊情况尚不能完全反映结构体系真实的特性，具体如下：３．３．１等效剪切刚度比指标的局限性　　　　如前文所述，对于普通意义上的底部Ｉ层大空间框支剪力墙结构，为减少设计工作量，仅采用侧向刚度比指标尚能有效控制结构转换层上、下结构刚度的突变，满足结构对抗震的要求，但如本文所研究的具有较高转换层层高的结构，仅采用该指标尚不能完全反映结构转换层上、下刚度的变化，有可能掩盖了结构体系真正的薄弱环节，可能在设计阶段就存在安全隐患，无法采取有效的措施予以加强。改善其抗震性能。３．３．２等效侧向刚度比指标的局限性　　　　《高规》提出适用于底部大空间层数大于１层的等效侧向刚度比可在宏观上反映结构体系转换层及其相邻楼层刚度变化情况，其适用范围可扩大到底部大空间层数为１层、具有较高转换层层高的框支剪力墙结构。但对比计算发现，尚存在一定的局限性。式（（２）中ＨＩ，Ｈ２的取值，《高规》要求Ｈ２尽可能接近Ｈ，，但又要求Ｈ２ＳＨＩ，即Ｈ２的取值不仅受转换层下部楼层总高度Ｈ，的制约，同时受到上部等效楼层层高的影响。故当Ｈ，在某一临界值有较小的改变，可能引起Ｈ２的取值发生较大的突变，甚至相差一个标准层的层高。例如：３Ａ栋Ｈ，＝９．００ｍ，对应Ｈ２的取值为６．２３ｍ：若Ｈ，增加到９．３０ｍ，则Ｈ２相应变化为９．２３ｍ，由此可见，Ｈ，仅增加０．３０ｍ，使得ＨＺ增加一个标准层的层高３．００ｍ。对比３Ａ，　３Ｃ栋，Ｈ，的取值分别为９．００ｍ，　８．００ｍ，二者相差Ｌｏｏｍ，但各自对应的场相等，均为６．２３ｍ。对于本文的特殊情况，楼层等效高度的取值是不连续的，存在跳跃，转换层下部总高度Ｈ，发生较小的改变，可能会引起Ｈ２较大的变化，进而导致Ａ产生较大的变化。由此可见，《高规》强调转换层上、下两个计算模型的高度宜相等或接近，且上部计算模型高度Ｈ２不大于下部计算模型高度Ｈ，的要求，在某些特殊情况下很难与条件吻合，Ｙｃ从结构的宏观角度衡量转换层刚度比尚显粗略，不能涵盖对各种情况的需求。３．３．３转换层上下竖向构件平面布置的均匀性与刚度比指标关系的讨论　　　　从高层建筑概念设计角度来讲，若两个结构平面体型相同，Ｘ，　Ｙ两个方向竖向构件数量和长度基本一致，虽然竖向构件局部平面布置和疏密程度不同，但计算所得的各项刚度比数值可能接近甚至相等。然而数值相近甚至相等的刚度比是不足以区分二者抗震性能优劣的，显然竖向构件平面布置较均匀的结构对抗震更有利。故转换层上、下刚度比指标仅能在宏观上反映结构侧向刚度的变化，而不能反映竖向构件（本文仅指墙柱）平面布置的均匀性问题。目前可实际操作的措施仍处于定性的概念设计阶段，尚无法将该因素加以量化。４．结论本文通过对四栋平面体型布置不规则、转换层层高较高的框支剪力墙结构对比计算分　　　　析。可得出以下结论：（　　　　Ｉ）布置均匀、截面尺寸较大的落地墙柱是保证转换层下部楼层具备较大抗侧刚度、形成“‘卜强上弱”结构体系，而不成为薄弱层的首要因素和先决条件。（　　２）对底部Ｉ层大空向、转换层层高较高的框支剪力墙结构，仅通过剪切刚度比指标无２０６第十九届全国高层建筑结构学术会议论文２００６年法真实反映转换层及其相邻楼层刚度变化情况，建议补充计算等效侧向刚度比和楼层刚度比指标，以便采取有效应对措施缓解转换层刚度的突变。（　　　　３）要使转换层上、下结构刚度比指标能够真正衡量框支剪力墙结构体系刚度比变化情况，首先必须从概念上保证结构体系的合理性，保证计算模型和实际结构相互吻合，该指标的计算值才有实际意义。由本文计算分析可知，在不改变其它各项影响因索的前提条件下，转换层最大层高的取值由刚度比指标控制。（　　　　４）刚度比指标尚存在局限性，无法完全适用于日益复杂的各类结构体系，对剪力墙平面布置的均匀性问题规范尚不能加以量化，这更加显示出概念设计的重要性，各专业密切协作才能设计出既满足建筑功能要求，又具备良好抗震性能的建筑。致谢：本文部分内容得到中国建筑设计研究院副总工程师朱炳寅先生的指导，特此感谢。参考文献　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｉｌｌ中华人民共和国行业标准高层建筑混凝土结构技术规程（ＪＧＪ３－２００２），中国建筑工业出版社，２００２［２ｌ深圳华侨城栖湖花园５，　６号地工程场地地震安全性评价报告，广东省工程防震研究院，２００６．４［３）广东省标准广东省实施‘高层建筑混凝土结构技术规程）（ＪＧＪ３－２００２）补充规定（（ＤＢＪ／１＇１５－４６－２００５），中国建筑工业出版社，２００５　　　　２０７