多层框架梁式转换设计

邬勇伟

上海建筑设计研究院有限公司（200041）

多层框架梁式转换设计

邬勇伟

上海建筑设计研究院有限公司（200041）

通过介绍工程实例，针对多层框架梁式转换的特点，提出相应的设计方法。

不规则；多层框架；梁式转换

随着现代建筑向着体系复杂、功能多样化的综合型方向发展，平常出现在高层建筑中的转换结构也越来越多的应用在多层建筑的结构设计中，并成为现代建筑的一大发展趋势，尤其是在用地紧张大中城市中更是如此。为了争取建筑物底部较大的空间，同时满足建筑体型及上部多功能的用途，就必须通过设置结构转换层来实现，而梁式转换是目前最常见、应用最广泛的一种转换形式，其特点是结构传力直接、明确，路径清楚，受力性能好，构造相对简单。

1　工程概况

上海虹桥工业区某多层办公楼，地上4层（地下一层），单体平面尺寸约为77 m×26 m。底层跨越两层，层高9.5 m，3～5层层高4.4 m。

结构设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为二级。抗震设防烈度为7度（0.10 g），设计地震分组为第一组，抗震设防类别为标准设防类（丙类），场地类别为Ⅳ类，特征周期为0.90 s。

2　结构选型

办公楼采用框架结构体系，为满足建筑使用功能的要求，3～5层采用宽扁梁结构体系。抗震等级为二级。3～5层的竖向构件通过3层楼面的转换梁与底层的6根巨型斜柱实现传力连接。转换梁截面为1.5 m×3.0 m，斜柱截面为2.4 m×3.1 m。其标准剖面见图1。

图1　标准剖面图

3　不规则情况

根据《建筑抗震设计规范》及《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》中规定，本工程存在以下两点超限：①考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2；②上下墙、柱、支撑不连续，含加强层。

从建筑结构的安全考虑，判定属于一般不规则的建筑，应按《建筑抗震设计规范》规定采取相应加强措施。由于工程处于Ⅳ类场地土，地震作用效应较大，因此应提出针对性的设计措施来进行结构设计。

4　设计中采取的措施

1）平面布置应力求简单均衡，规则对称，尽量使质心和刚心重合，避免扭转的不利影响。

2）针对转换结构容易刚度突变的特点，调整转换层及其相邻层的结构构件尺寸，在保证安全的前提下，强化转换层下部结构，弱化上部结构，尽量控制刚度相近，但也不能过度加强转换层，避免刚度、质量集中，造成地震效应突然增大。

一对一(OVO)拆分策略：将多分类问题进行拆分，若样本具有M个类别，则将数据集划分为M部分，每一部分为一个类别，然后将这M部分两两配对，因此可形成M(M-1)/2个二分类任务，即可训练M(M-1)/2个分类器，可得到M(M-1)/2个预测结果，最后用投票法决定测试样本的最终预测类别：把被预测得最多的类别作为最终的分类结果。

3）为了传力直接，避免复杂转化，转换梁的中心线宜与所托的框架柱及下部的框支柱的中心线尽量重合，规避偏心造成的不利影响。

4）转换层楼板厚度设计为180 mm厚，配置双层双向钢筋，单层每个方向的配筋率不小于0.3%；考虑转换梁的轴向变形，应采用弹性楼板假定，并用中震复核楼板应力。

5）由于转换梁托的框架柱是空间受力，柱子的两个主轴方向都有较大的弯矩，故设计中除应对转化梁按计算配足受力钢筋外，还应在垂直方向设置转换次梁，以平衡平面外的弯矩。

6）对于转换的上部结构采用宽扁梁结构体系，转换层上层的直升柱和梁托柱截面不能有过大的消弱，轴压比控制不宜放松，纵筋及箍筋宜适当加强。

7）根据《建筑抗震设计规范》及《高层建筑混凝土结构技术规程》的要求，本工程属于重要的框架转换，应参照框支转换采取适当的加强措施，对底部斜柱和托柱转换梁应进行有限元应力分析和中震弹性验算，并按结果复核配筋。托柱转换梁的扭矩不应折减，其水平地震作用计算内力应乘以相应的增大系数，底部斜换柱的抗震等级按一级（即提高一级）采取抗震构造措施，并应加强梁柱连接构造措施。

8）严格控制大跨度转换梁和上部宽扁梁的变形（挠度和裂缝宽度），且其竖向挠度应不大于计算跨度的1/400。

5　计算结果分析

5.1小震下结果的分析对比

采用SATWE和ETABS软件分别进行小震作用下的反应谱分析。在ETABS软件分析中采用壳单元来模拟剪力墙，线单元来模拟梁、柱。两个软件对比分析结果见表1。由表1可知，在小震作用下，按弹性方法计算的各项指标均满足相应规范的各项要求，且两个软件的计算结果较吻合，证明了计算模型建立的准确性。

表1　结果对比分析

5.2弹性时程分析及静力弹塑性分析结果

设计时 （考虑到弹塑性动力时程分析）采用ETABS的弹性动力时程分析模块进行弹性动力时程分析。时程分析选用三组地震波而非七组地震波，计算用特征周期0.9 s，加速度峰值按7度多遇地震取用，即35 cm/s2，各单元的分析见表2。

表2　时程分析与反应谱分析结果对比

从表2可以看出，每条时程曲线计算的结构基底剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的65%同时也不大于135%，其平均值不小于振型分解反应谱法计算结果的80%同时也不大于120%，时程分析的计算结果与反应谱法计算结果基本吻合，按振型分解反应谱法计算地震作用及构件设计是充分的。由于采用一条人工波加两条天然波的分析模式，故计算结果取时程法的包络值和振型分解反应谱法的较大值，本单体按时程法的包络值计算地震作用及构件设计，将振型分解反应谱法X向放大1.21倍；Y向放大1.20倍来指导施工图的设计工作。

采用EPDA法进行结构在大震作用下的静力弹塑性分析补充计算，分析结果表明，X、Y向最大层间位移角分别为1/219、1/136，满足抗规对框架结构弹塑性层间位移角的限值1/50的要求，且同时满足相关单体的抗震性能设计目标值要求。整体结构未出现显著的薄弱层，达到了“大震不倒”的设计目标。

5.3罕遇地震作用下弹塑性动力分析

罕遇地震作用下的弹塑性分析采用Perform-3d软件。Perform-3d是一个三维结构非线性分析与性能评估软件，具有出色的非线性分析和性能评估能力。软件为不同的非线性材料或组件设置了五种性能水平（Performance Level）。一般来说只使用到前三种性能水平，分别对应于立即使用阶段（Immediate Occupancy）、生命安全阶段（Life Safety）、防止倒塌阶段（Collapse Prevention）。本工程定义三性能水平如下。

1）混凝土

第一性能水平点：混凝土抗压平均强度的最大值。第二性能水平点：0.5倍混凝土抗压平均强度的最大值。第三性能水平点：3倍的混凝土极限压应变，即混凝土受压破坏退出工作。

2）钢筋

第一性能水平点：0.7倍钢筋屈服强度标准值。第二性能水平点：钢筋屈服强度标准值。第三性能水平点：3倍的钢筋极限拉应变，即钢筋受拉破坏退出工作。

具体见图2～图5。

图2　PAR_00地震波作用下结构的塑性发展

图3　TJNB地震波作用下结构的塑性发展

图4　PAR_00地震波作用下单榀结构的塑性发展

图5　TJNB地震波作用下单榀结构的塑性发展

由一层结构塑性发展示意图可知，在同等强度的罕遇地震作用下，结构的抗震性能良好，第一层混凝土柱以及转换梁均处于IO阶段，一层结构构件没有进入塑性发展阶段；由单榀结构塑性发展示意图可知，在同等强度的罕遇地震作用下，上部结构尤其最右侧单榀框架柱上出现部分钢筋屈服、混凝土压碎后形成的塑性铰，多数构件处于IO阶段，仅少部分框架梁、柱处于LS阶段。在后续的结构施工图设计阶段可针对此处梁、柱进行局部加强处理。

6　结语

通过对工程实例，采用小震下的振型分解反应谱分析，并补充小震下的弹性时程分析，大震下的静力、动力弹塑性分析，得出以下结论：

1）梁式转换传力直接，转换环节少；应协调转换层上下部结构的刚度，做到有强有弱，结构计算应细致全面。

2）转换梁的刚度对转换梁与上部结构的共同作用能力有一定的影响，由于结构的整体性，转换梁和其上部的框架是共同作用的。计算分析表明：适当加大上部几层框架梁的截面尺寸，可使上部框架与转换梁共同承担，避免较大的内力集中在转换梁上，使结构受力合理，提供抗震性能。本工程通过动力弹塑性分析，发现上部结构由于采用宽扁梁体系，性能较薄弱，不够合理，在后期的设计中应予以调整加强。

3）选择性能设计的方法验算重要构件的承载力，符合结构设计的原则“强柱弱梁，强减弱弯”，体现了抗震概念设计，有效提高了结构的承载力和延性。

［1］建筑抗震设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2010.

［2］高层建筑混凝土结构技术规程［S］.北京：中国建筑工业出版社，2011.

［3］高层建筑梁式转换结构受力变形特点探析［J］.北京：建筑技术，2012.