高低位转换框支剪力墙结构抗震性能对比研究.docx

1 绪 论
带转换层高层建筑结构概况
随着城市化进程的加速发展,土地资源日益紧缺。为了节约城市用地,满足人们对建筑物使用功能要求,近年来,国内外高层建筑发展迅速,现代高层建筑向着功能多样化、体形复杂的综合性方向发展。在一栋建筑中,建筑功能沿建筑高度方向往往会发生变化,需要不同的结构形式来满足建筑功能的这种变化。
在建筑功能布置上,上部需要较小的轴线布置和开间较小的墙体满足上部住宅、旅馆等的功能要求;中部则需要小的或中等大小的空间,可以在柱网中布置一定量的墙体实现办公用房的功能要求;下部往往需要尽可能大的公共空间,应尽可能地减少剪力墙布置数量及截面尺寸,增大柱间距,满足下部诸如商场、餐厅、文化娱乐设施等公用设施的功能要求[1]。
而在结构受力上,高层建筑结构下部楼层受力很大,上部楼层受力较小,合理的结构布置应是下部刚度大,上部刚度小。结构下部应柱网密、剪力墙多、截面尺寸大,往上逐渐减少剪力墙、柱的数量或减小其截面尺寸。
也就是说,沿建筑高度结构的合理布置与建筑功能对空间的要求互相矛盾。因此,为满足建筑功能对空间的要求,结构须进行“反常规设计”,在建筑的上部布置小空间,下部布置大空间[2],从而导致结构上部刚度大,下部刚度小。为了实现这种结构布置,就需要在结构形式发生变化的楼层设置水平转换构件,即转换层结构[3~7](Transfer Floor Structure)。一般而言,当高层建筑下部楼层在竖向结构体系或形式与上部楼层差异较大时,或者下部楼层竖向结构轴线距离在上部扩大时,或者上部与下部结构轴线错位时,就需要在结构发生改变的楼层布置转换层结构[8,9]。转换层广泛应用于剪力墙结构及框架剪力墙等结构体系中。
转换层的建筑功能
按照不同的结构转换功能,转换层可归纳为以下三种类型[10~13]:
①结构形式的转换。通过转换层完成其从上层至下层不同结构体系或形式的变化。这种功能广泛应用于框—剪结构和剪力墙结构,转换层将上部剪力墙转换为下部框架,为下部楼层创造较大的内部空间。
②柱网轴线的转换。转换层上部和下部结构形式没有发生改变,但通过转换层,使下层形成大距离的柱网,满足建筑上较大入口和较大空间要求。
③以上两种作用兼而有之。比如,在将上部楼层的剪力墙通过转换层转换为框架的同时,也将下部楼层的柱网轴线与上部楼层的柱网轴线错开,形成上、下部结构及轴线不对齐的结构布置形式。
通过以上三种结构转换类型对结构形式或柱网轴线的转换,既可以为建筑提
供较自由的室内空间,也可以为建筑提供较大的门厅入口或其他空旷的公共设施空间,最大限度地满足多样化的建筑使用功能。
转换层的主要结构形式及特点
从国内外已建成的带转换层结构的高层建筑来看,转换层结构主要有以下几种形式:梁式转换、厚板转换、箱形转换、桁架转换以及斜柱转换等形式[10~15], 各种转换形式示意如图 所示。
①梁式转换
梁式转换结构设计简单、施工方便、构造简单和受力明确。当纵、横向同时需要转换时,可采用主次梁或双向梁的结构布置形式。目前,梁式转换层结构广泛应用于国内外带转换层高层建筑中。框支梁受力复杂,分析和试验均表明框支梁大多数情况下为偏心受拉构件,并承受很大剪力,其截面尺寸主要由其抗剪承载力决定,截面尺寸较大,但可通过加腋或采用钢骨混凝土、预应力混凝土等技术方法减小截面尺寸。
②厚板转换当上下柱网、轴线错开较多,难以简单的用梁直接承托时,转换层就采用厚
板,形成厚板式承台转换层。厚板式转换层最大的优点就是转换层上下层柱网以及结构布置灵活性大。但同时也有很多缺点,如自重很大,材料耗用多,造价高; 大体积混凝土施工、模板支撑困难,混凝土的徐变、收缩以及水化热对其施工质量影响大,混凝土板的应力、内力分布复杂。现阶段无完善的简化理论可用于设计中,绝大多数情况依靠有限元的计算结果进行手算配筋,设计难度大、工作量多。从受力角度上看,由于厚板(厚度有时可达 )自重很大,差不多等于 20 倍一般楼盖的自重,在地震作用下,必将引起很大的作用于一个楼层的水平地震集中力,这样会使下面楼层的层间位移变得很大。另外,厚板的水平和竖向刚度均很大,使上、下楼层层间抗侧刚度相对较小而变成“相对柔弱层”,从而加剧塑性变形集中效应,进一步加大上、下楼层的层间位移,加重其破坏程度,对抗震是不利的。因此,我国现行规范对厚板转换的应用范围限制是最严的,对于地上结构的转换,厚板转换只适用于非抗震区和 6 度区,而对于地下室的转换可适用于 7、8 度区。
③箱型转换
通过单向托梁、双向托梁连同上下层较厚的楼板共同工作,形成刚度很大的箱形转换层。箱形转换层的优点是转换层本身结构整体性好,当转换层上部结构布置较复杂时,仍能保证上、下竖向构件的有效传