從工程例子談?wù)摳邔咏ㄖY(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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1工程概況

工程包括1層地下室、6層裙房，地上共19層，由于本工程所處地理位置優(yōu)越但場(chǎng)地狹小，為滿足人防、設(shè)備、地下停車的要求，設(shè)置了1層地下室。其中負(fù)l層暫時(shí)為六級(jí)人防，平時(shí)為汽車及自行車停車場(chǎng)；地上6層裙房為商場(chǎng)及辦公，6層以上為住宅。由于裙房部分商場(chǎng)及辦公需要較大的開敞空間，而住宅部分又不希望有較大的柱斷面，因而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了底部為大空間的框架一剪力墻，上部為短肢剪力墻的結(jié)構(gòu)體系來(lái)滿足建筑功能需要。本工程地下1層層高分別為4．5m。地上裙房分別為4．5m，5．Om及4rex3．5m，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層1．4m，設(shè)備技術(shù)層2．2n1，標(biāo)準(zhǔn)層為2．8m。建筑物總高60多m。裙房框架抗震等級(jí)為I級(jí)，所有剪力墻抗震等級(jí)均為Ⅱ級(jí)。

2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算及構(gòu)造問(wèn)題分析

關(guān)于結(jié)構(gòu)方案的分析比較以及梁、板、柱、墻等主要構(gòu)件的截面尺寸等，本文不詳述，僅對(duì)上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一些主要和難點(diǎn)問(wèn)題作重點(diǎn)介紹。本工程上部結(jié)構(gòu)關(guān)鍵在于處理好裙房與標(biāo)準(zhǔn)層之間不同結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換后上下剛度的協(xié)調(diào)。

2．1設(shè)計(jì)計(jì)算及處理

(1)關(guān)于計(jì)算軟件的選取。在計(jì)算高層建筑時(shí)，通常選用TBSA5．0，TAT及SATWE。由于本工程涉及到結(jié)構(gòu)體系的轉(zhuǎn)變，上部為剪力墻，下部為框支，又有轉(zhuǎn)換大梁，因此選用中國(guó)建筑科學(xué)院編制的SATWE空間組合結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，該軟件采用空間桿模擬梁、柱及支撐等桿件，用在殼元基礎(chǔ)上凝聚而成的墻元模擬剪力墻。對(duì)于樓板，可以考慮樓板整體平面內(nèi)無(wú)限剛、分塊無(wú)限剛、分塊無(wú)限剛帶彈性連接板帶和彈性樓板。對(duì)于本工程樓面開大洞及平面不太規(guī)則的情況，采用SATWE中總剛來(lái)計(jì)算，較好地模擬了工程的實(shí)際情況。另外需要說(shuō)明的是，對(duì)于轉(zhuǎn)換大梁，嚴(yán)格地講它是一個(gè)偏拉構(gòu)件，可所有的軟件由于忽略了梁的軸向變形，都顯示不出拉力值，設(shè)計(jì)中只能靠構(gòu)造措施來(lái)彌補(bǔ)。相關(guān)規(guī)范及有關(guān)要求用有限元來(lái)校核轉(zhuǎn)換大梁，我們通過(guò)使用發(fā)現(xiàn)WQ在預(yù)算荷載方面還存在一定缺陷，對(duì)于復(fù)雜的轉(zhuǎn)換大梁，例如有二級(jí)轉(zhuǎn)換梁傳荷載的情況，現(xiàn)有版本則不能正確反映梁的受力情況，這給使用該軟件帶來(lái)一定困難。因?yàn)閷?duì)于高層建筑，恒載作用下人工校核荷載已十分麻煩，更何況需要將地震作用添加到每層上去。我們根據(jù)SATWE的計(jì)算結(jié)果輔以適當(dāng)控制配筋率能滿足工程需要。同時(shí)也希望現(xiàn)有軟件能不斷更新以滿足結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的新問(wèn)題的需要。

(2)關(guān)于計(jì)算中參數(shù)的合理選取。規(guī)范規(guī)定對(duì)于復(fù)雜的高層結(jié)構(gòu)，需要考慮扭轉(zhuǎn)耦連，但我們通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，盡管本工程主樓體型不太規(guī)則，但對(duì)大多數(shù)桿件，非耦連起控制作用。大多數(shù)要求計(jì)算中考慮模擬施工加載，計(jì)算發(fā)現(xiàn)梁一次加載所需鋼筋在結(jié)構(gòu)的大部分位置均多于模擬施工荷載情況下所需鋼筋，僅在頂部幾層：一些不同。按照相關(guān)規(guī)范規(guī)定，本工程總高超過(guò)80m，需做時(shí)程分析。但對(duì)于地震波的選取卻很困難，不同的地震波，哪怕卓越周期相同，反應(yīng)卻大不一樣。選取哪條地震波以及如何利用時(shí)程分析的結(jié)果反算鋼筋都直接關(guān)系著工程最后的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。本工程選用不同地震波作用下各層的最大反應(yīng)力的平均值為地震力反算結(jié)構(gòu)的配筋。

(3)關(guān)于轉(zhuǎn)換層設(shè)雙層板后，轉(zhuǎn)換層層高如何確定。TBSA及TAT都建議轉(zhuǎn)換層層高取為轉(zhuǎn)換梁高加下層層高。這樣取值后會(huì)讓轉(zhuǎn)換層剛度大大減小，使本來(lái)滿足上下剛度比的結(jié)構(gòu)變得不滿足。我們通過(guò)多次試算提出以下建議：由于轉(zhuǎn)換梁包含上下兩層厚板，我們認(rèn)為該部分剛度無(wú)限大，因而在計(jì)算上下剛度比時(shí)，轉(zhuǎn)換層層高取至雙層板質(zhì)心處(即轉(zhuǎn)換層層高取為轉(zhuǎn)換梁半高加下層層高)。這樣處理會(huì)讓結(jié)構(gòu)總高度減小以及轉(zhuǎn)換梁下層柱高度減小，造成風(fēng)荷載減小及框支柱的彎矩減小。由于結(jié)構(gòu)總高減小有限，風(fēng)荷載的影響可以忽略。我們將框支柱的彎矩取出，考慮該柱實(shí)際凈高，重新調(diào)整該框支柱的彎矩。這樣處理使轉(zhuǎn)換梁上下剛度比更加合理。當(dāng)然，這一構(gòu)想還需有結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行支持。

(4)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換梁的設(shè)計(jì)。首先根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)初步選定轉(zhuǎn)換粱截面，采用SATWE軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體計(jì)算，算出轉(zhuǎn)換梁所受設(shè)計(jì)剪力v后，按V一≤O．15h／O．85校核截面尺寸。對(duì)轉(zhuǎn)換梁不僅有強(qiáng)度要求，而且也有剛度要求，其變形對(duì)轉(zhuǎn)換梁以上的剪力墻內(nèi)力影響很大。我們按轉(zhuǎn)換梁bxh=500x1700，600x2000，其它條件均相同的條件下分別對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在500x1700情況下上層剪力墻超筋，而在600x2000情況下上層剪力墻卻能以構(gòu)造配筋。后經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，前者剪力墻彎矩遠(yuǎn)大于后者，因此對(duì)轉(zhuǎn)換梁的設(shè)計(jì)，梁的剛度往往起控制作用。

2．2構(gòu)造措施

地震是一種復(fù)雜的偶然運(yùn)動(dòng)，為保證結(jié)構(gòu)的安全，除了以計(jì)算結(jié)果作為設(shè)計(jì)依據(jù)外，運(yùn)用概念設(shè)計(jì)非常重要，采取必要的結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施是保證抗震設(shè)防的重要手段。

(1)加強(qiáng)轉(zhuǎn)換層樓板的剛度及延性。本工程將轉(zhuǎn)換層底板頂板加厚至200mm，采用雙層雙向配筋，配筋率為0．25％，加強(qiáng)了整體性，增加了延性，形成一個(gè)類似于箱形結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層，共同承擔(dān)上部傳來(lái)的荷載，使上部短肢剪力墻通過(guò)轉(zhuǎn)換層將剪力很好地傳給下面的落地剪力墻。

(2)加強(qiáng)底部框支層的剛度及延性。為保證在罕遇地震作用下落地剪力墻和框支柱不先于轉(zhuǎn)換層及上部剪力墻進(jìn)入屈服狀態(tài)，防止落地剪力墻和框支柱由于抗剪強(qiáng)度不足而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，落地剪力墻厚度(核心筒)加厚為450ram，墻內(nèi)分布筋的配筋率>0．4％。另外，在底層適當(dāng)部位增設(shè)剪力墻，保證底部框支層有足夠的剛度，防止沿豎向剛度比過(guò)于懸殊。框支柱和剪力墻小墻支的軸壓比控制在0．6以下。框支柱的配筋率控制在1．5％左右，柱箍筋沿全高加密。若條件允許，盡可能將框支柱設(shè)計(jì)為型鋼混凝土柱。

(3)部分框支柱采有扁長(zhǎng)柱，一般為(600～800)mm~(29506000)mm，盡量使上部短肢剪力墻部分或大部分落在框支柱(扁長(zhǎng)柱)上，使荷載傳遞直接，受力合理。但需注意扁長(zhǎng)柱在縱橫方向應(yīng)均勻布置。

(4)提高連梁的延性和抗剪強(qiáng)度。加大洞口寬度，增加連梁跨度，考慮連梁剛度的折減；對(duì)超筋部分連梁的彎矩設(shè)計(jì)值做適當(dāng)調(diào)整，按最大配筋率配筋，并適當(dāng)提高與之相連接的剪力墻配筋，以提高連粱的塑性變形能力。

(5)為加強(qiáng)轉(zhuǎn)換層的整體協(xié)調(diào)能力，在轉(zhuǎn)換層樓面上周邊及內(nèi)部非門洞口的地方做一些矮墻，墻高伸至窗臺(tái)底面。該段剪力墻在計(jì)算中未考慮，作為一種安全儲(chǔ)備。

(6)由于上部住宅經(jīng)常在緊靠軸線的位置布置門洞，造成框支中柱上無(wú)墻或少墻的情況。結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)盡量與建筑師協(xié)調(diào)，此種情況應(yīng)力求避免，框支中柱對(duì)應(yīng)上部住宅位置應(yīng)設(shè)剪力墻，有利于轉(zhuǎn)換大梁剪力的傳遞。我們建議在設(shè)計(jì)帶有轉(zhuǎn)換層的高層住宅時(shí)，住宅部分短肢剪力墻盡量布置在框支柱上，墻肢可以長(zhǎng)一些，避免在框支柱間設(shè)置剪力墻，這樣可以大幅降低轉(zhuǎn)換大梁的彎矩，同時(shí)也能降低梁高和配筋。若轉(zhuǎn)換大梁上部跨中設(shè)有剪力墻，則轉(zhuǎn)換梁大都由抗彎來(lái)決定斷面；若轉(zhuǎn)換大梁上部跨中沒(méi)有剪力墻，則轉(zhuǎn)換梁大都由抗剪來(lái)決定斷面。如本工程中跨度為6．6m的轉(zhuǎn)換梁，若跨中設(shè)置剪力墻，則梁斷面為600x2000，主筋為103em：，若跨中沒(méi)有剪力墻，則梁斷面為500x1500，主筋為65cm。其優(yōu)勢(shì)顯而易見。

3結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)本工程所結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及相關(guān)問(wèn)題的處理，我們體會(huì)到：

(1)運(yùn)用概念設(shè)計(jì)合理布置結(jié)構(gòu)體系非常重要。在做一個(gè)較復(fù)雜的高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)該運(yùn)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有關(guān)經(jīng)驗(yàn)來(lái)合理布置結(jié)構(gòu)平面，選擇恰當(dāng)?shù)牧褐袅嗝妫菇Y(jié)構(gòu)的周期、移控制在規(guī)范規(guī)定的允許范圍內(nèi)。俗語(yǔ)講“七分概念，三分計(jì)算”道理就在于此。

(2)正確選擇計(jì)算程序，使工程結(jié)構(gòu)與計(jì)算模型基本相符，同時(shí)對(duì)計(jì)算的結(jié)果應(yīng)加以分析、比較，對(duì)不太合理的計(jì)算結(jié)果應(yīng)適當(dāng)?shù)丶右哉{(diào)整以保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性、合理性和經(jīng)濟(jì)性。

(3)轉(zhuǎn)換梁的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。轉(zhuǎn)換梁上下抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的布置、剛度比的選擇、計(jì)算圖示的選取對(duì)轉(zhuǎn)換梁的設(shè)計(jì)影響很大，有待進(jìn)一步研究。