转换层结构设计实例

转换层结构设计

1.引言

为了使结构底部满足大空间的使用要求，上部楼层部分竖向构件（剪力墙，框架柱）不能直接连续贯通落地，此时需要设置转换层，在结构转换层布置水平转换构件，将上部结构的内力转移到下部。带转换层的高层建筑结构主要可归纳为两大类，一类是其主体结构由上部剪力墙结构，下部筒体框架结构或框架剪力墙结构以及结构转换层组成；另一类是其主体结构由上部小柱网框架、筒体、剪力墙结构，下部大柱网框架、剪力墙结构以及结构转换层组成。

转换构件包括：梁，桁架，空腹桁架，箱型结构，斜撑，厚板等。结构转换层常见的有梁式转换和板式转换两种类型。梁式转换结构，受力比较直接明确，是目前得到广泛应用的转换结构形式。板式转换结构，受力、传力途径比较复杂，不够明确；一般只有在上下部结构明显不协调，无法采用梁式转换结构时才采用。

目前市场上的其他软件对于转换梁的处理还都不尽完善。有些软件利用梁单元来模拟转换梁，用墙单元来模拟转换梁上边的剪力墙。这样处理的问题在于实际计算的时候，剪力墙的下边缘与转换梁的中性轴进行变形协调，导致中性轴以上的截面相当于没有参与工作。此时通过刚度放大系数来调整转换梁刚度，再进行分析和设计；还有一些分析类的软件，可以对转换梁按照板单元来进行建模，此时便不存在上述的变形协调的问题，分析结果也相对准确。但由于对于转换梁的配筋，我们习惯上还是按照梁单元来输出，所以最后的结果还需要人为进行整理，增加了工作量。midas Building综合了上述两种处理方法的优点，采用“梁单元建模，板单元分析，梁单元设计”的处理方法，下面将通过一个工程实例，对该方法进行比较详细的阐述。

2.工程简介

某酒店，结构形式为钢筋混凝土框架-剪力墙结构，共23层，结构总高度为87m。

2层为转换层，采用转换梁进行转换。转换梁截面尺寸最大达到900mmX2800mm。3层部分剪力墙与柱未落地，直接落在了转换梁上。柱截面尺寸：1-2层方柱：1400 mmX1400mm,圆柱直径为1200mm; 其它层柱：500~700mmX900mm等；结构大师模型如图1所示。

图1 某酒店三维图

3.操作步骤

具体建模，施加荷载及设定边界条件从略，本文主要介绍和转换梁有关的一些操作细节。单击主菜单【结构->楼层和标准层】，或者是主菜单下方的工具按钮，打开标准层和楼层对话框。

3.1修改楼板类型

图2 标准层和楼层

在一般的模型分析中，进行整体分析时，为了提高计算速度，常常采用刚性楼板假定，此时楼板平面内刚度为无限大，而平面外刚度不予考虑。此时，每块刚性楼板仅有三个公共的自由度，水平向的两个平动自由度和绕Z向的扭转自由度。由于按照刚性板计算内力时不考虑平面内变形，因而得不到转换梁的轴力，对转换梁的其它分析结果也有比较大的影响。因此对转换层应不设置刚性楼板假定，而按照弹性楼板进行分析。

单击转换梁所在楼层标准层P2后边的楼板类型，打开下拉列表，如图3所示。将楼板类型由刚性板修改为“弹性板”。

图3 楼板类型

3.2 指定转换层

当本层有转换层构件时，需要将该层指定为转换层。单击2F层后边“转换层”列的勾选框，勾选框内出现符号“∨”，表示该层已经被转换层。指定为转换层后，程序会按照高规附录E要求计算转换层上下层的侧向刚度比。后边将在查看结果里进行详细介绍。

3.3 指定转换梁

目前程序还无发自动识别转换构件，需要利用“分析设计”菜单下的“修改构件类型”命令进行指定。打开主菜单【分析设计->构件类型->修改构件类型】

图4 修改构件类型

首先在模型视图中将转换梁选中，选择的时候，可以按照截面特性进行选择。构件类型中选择“梁”，子类型中选择“转换梁”，然后点击“适用”，则选中的这些梁将被指定为转换梁。如图5所示绿色的梁，转换梁颜色可自行指定。

图5 转换梁的指定

将构件指定为转换梁后，程序会自动按照规范要求进行内力调整。

《建筑抗震设计规范》GB50011-2010 第3.4.4条

竖向抗侧力构件不连续时，该构件传递给水平转换构件的地震内力应根据烈度高低和水平转换构件的类型，受力情况，几何尺寸等，乘以1.20~2.0的增大系数；

《高层建筑混凝土结构技术规程》报批稿第10.2.4条

转换结构构件可采用转换梁、桁架、空腹桁架、箱形结构、斜撑等，非抗震设计和6度抗震设计时可采用厚板，7、8度抗震设计时地下室的转换构件可采用厚板。特一、一、二级转换构件的水平地震作用计算内力应分别乘以增大系数1.9、1.6、1.3；转换构件应按本规程第4.3.2条的规定考虑竖向地震作用。

转换梁的网格尺寸在“模型控制”中进行设置，默认值为0.3m，可以人为进行修改。

图6 转换梁网格尺寸

3.4 指定详细分析墙

对于与转换梁相邻的剪力墙，为了更详细的了解其应力和内力状态，需要将其指定为详细分析墙。如图6所示，对于一般的剪力墙，程序默认的网格尺寸为1.8m, 而对于详细分析墙，默认的网格尺寸与转换梁相同，为0.3m。

打开主菜单【分析设计->剪力墙详细分析->墙】，选择需要详细划分的墙，如下图所示。

图7 选择需要详细分析的墙

图8 指定详细分析墙

在图8所示对话框中，点击“选择/添加”按钮，则被选中的剪力墙会添加到列表中。程序分析的时候，对这些剪力墙会按照详细分析墙的网格尺寸进行划分网格。

3.5 框支柱的剪力调整

转换层以下，一般落地剪力墙的刚度远远大于框支柱的刚度，落地剪力墙几乎承受全部地震剪力，而框支柱的剪力非常小。当落地剪力墙出现裂缝后刚度下降，会导致框支柱剪力增加。因而高规中按照转换层位置不同和框支柱数目的多少，对框支柱剪力调整做了不同的规定。

《高层建筑混凝土结构技术规程》报批稿第10.2.17条

部分框支剪力墙结构框支柱承受的水平地震剪力标准值应按下列规定采用：

1 每层框支柱的数目不多于10 根时，当底部框支层为1~

2 层时，每根柱所受的剪力应至少取结构基底剪力的2%；当底部框支层为

3 层及3 层以上时，每根柱所受的剪力应至少取结构基底剪力的3%；

2 每层框支柱的数目多于10 根时，当底部框支层为1~2 层时，每层框支柱承受剪力之和应取结构基底剪力的20%；当框支层为

3 层及3 层以上时，每层框支柱承受剪力之和应取结构基底剪力的30%。

框支柱剪力调整后，应相应调整框支柱的弯矩及柱端框架梁的剪力和弯矩，但框支梁的剪力、弯矩、框支柱的轴力可不调整。

midas Building中，可以自动识别框支柱。同时，框支柱内力调整以后，对于与框支柱相连的框架梁（非转换梁）的剪力和弯矩，由于调整系数比较大，为了避免不符合实际的结果，程序开放给用户指定是否需要调整。如图9所示，程序默认需要调整其内力。