义马市环境监理监测中心转换结构设计

摘　要：义马市环境监理监测中心是一个平、立面都不规则且超长的复杂高层建筑，属于复杂高层中的部分框支剪力墙结构，且是高位转换，还有很多二次转换，受力比较复杂，设计采用梁式转换，用两个不同的力学模型进行整体计算，保证结构设计结果的可靠性和准确性，对同时承托剪力墙和转换次梁及其上剪力墙的转换梁，进行应力分析作为校核。重点介绍了结构的整体计算和转换梁局部计算，对结构选型、计算方法、计算参数的选取、计算结果的调整和对比、设计中的主要技术问题等作了详细论述和分析，可为类似结构设计提供参考。

关键词：复杂高层 部分框支剪力墙结构 梁式转换 高位转换 整体计算 转换梁局部计算
1 工程概况
1.1工程总体概况
　　义马环境监理监测中心项目（图1），建筑面积约1.1万m2，底部三层为办公部分，上部八层为住宅，顶部为局部跃层，平面体型呈“”字型，平面布置如图2所示。主体高度39.3m，建筑总长度61.2m，住宅中部最小宽度11.1m，两凸出部位长11.3m，一、二层层高3.9m，三层（转换层）层高4.5m。L/B=61.2/11.1=
5.51≤6、l/B=11.3/23.9=0.47≥0.35、l/b=11.3/7.8=1.45≤2，按《高层建筑混凝土结构设计规程》第4.3.3条，本工程属于平面不规则且竖向不规则的复杂高层建筑。

　　　　　　　　　　　　图1 义马市环境监理监测中心效果图

(a) 办公部分平面图

(b) 住宅标准层平面图
　　　　　　　　　　　　图2 义马市环境监理监测中心平面图
1.2自然条件
　　义马市基本情况：地震设防烈度 6度，设计基本地震加速度为0.05g，地震分组为第一组，50年一遇基本风压0.40KN/ m2，基本雪压 0.20KN/ m2。工程场地地貌单元属于石河Ⅰ级阶地，分布的地基土主要为冲、洪积作用形成的黄土状粉质粘土、粉质粘土夹粘土及卵石层等，地基土结构分布：（1）层为耕土，主要成分为粉质粘土，可见植物毛细根及树根等，层厚0.3m；（2）层为黄土状粉质粘土，坚硬~硬塑，干强度低，具大空隙，含少量卵石，层厚0.7m~2.2m；（3）层为卵石，中密~密实，卵石粒径2~20cm，最大粒径60cm，充填物多为圆粒、砂土、粘性土，级配一般，层厚6.0m~7.7m；（3-1）层为（3）层中的夹层，为黄土状粉质粘土，可塑状，含细砂，干强度一般，压缩系数平均值α1-2=0.14MPa-1，属于中压缩土，最大揭露层厚0.9m；（4）层为粉质粘土夹粘土，坚硬~硬塑，压缩系数平均值α1-2=0.14MPa-1，属于中压缩土，最大揭露层厚7.1m。
　　设计取第（3）层卵石层为基础持力层，承载力特征值fak=400kPa，变形模量E0=65.0MPa；本层中所夹（3-1）层承载力特征值fak=180kPa，压缩模量Es(1-2)
=12.1MPa，建筑场地土为Ⅱ类，场地特征周期为0.35s，场区内无可液化地层，无地下水。
2 结构选型
　　建筑的布置给结构设计带来一定的难度。底部为办公室、活动室和会议室等大空间结构，上部为住宅，为满足建筑功能的要求，采用部分框支剪力墙结构体系。为保证下部有足够的大空间办公的要求，设计中把转换层设在3层顶，3层顶板作为加强层。转换层设在3层属于高位转换，采用梁式转换，结构传力途径明确，上部为短肢剪力墙结构，由于转换层上下结构布置变化比较大，故转换梁数量比较多。
　　综合考虑地基土下有软弱下卧层，中部柱距较大，两端剪力墙间距比较小等因素，基础采用梁板式筏板基础，板厚0.45m。
3 结构计算与分析
3.1结构整体计算与分析
　　本工程建筑抗震设防类别为丙类，建筑结构的安全等级为二级，地基基础设计等级为乙级，设计使用年限为50年。按《高层建筑混凝土结构设计规程》第4.8.2条，框支框架和剪力墙底部加强部位抗震等级分别为框架抗震等级为三级，剪力墙抗震为一级，剪力墙非底部加强部位抗震等级为三级。混凝土强度等级：基础 C30，基础顶~转换层 C35，转换层~大屋面为 C30，大屋面以上为 C25。转换层以下剪力墙厚除电梯井内隔墙为200mm外，其余剪力墙均为300mm，转换层以上均200mm。
按《高层建筑混凝土结构设计规程》第5.1.12条和第5.1.13条，本工程应采用两个不同的力学模型进行整体计算，且框支梁须进行应力分析，整体计算选用中国建筑科学研究院编制的SATWE和PMSAP两个力学模型不同的结构分析软件。SATWE采用空间杆单元模拟梁、柱及支撑等杆件，用在壳元基础上凝聚而成的墙元模拟剪力墙，楼板可按平面内无限刚、分块无限刚、面内无限刚带弹性连接板带和弹性楼板四种情况处理；PMSAP采用采用空间杆单元模拟梁、柱及支撑等杆件，用平面应力膜和弯曲板分别模拟剪力墙、楼板的面内刚度和面外刚度。
计算软件主要参数设置如下：
　　（1）本结构体系设置为复杂高层结构；
　　（2）地震信息中设置为不规则结构，考虑±5%的偶然偏心，考虑扭转耦联；
　　（3）周期折减系数，因为本工程填充墙较少，所以采用剪力墙结构的0.9；
　　（4）计算振型个数为21个，足够的振型数才能满足有效质量系数大于90%；
　　（5）传给柱、墙及基础的活载均按规范进行折减；
　　（6）连梁刚度折减系数采用0.7；
　　（7）中梁刚度放大系数采用1.8；
　　（8）刚度比采用剪弯刚度；
　　（9）地震作用分析方法采用总刚分析方法；
　　（10）对所有楼层强制采用刚性楼板算位移，按弹性楼板6（程序真实地计算楼板平面内和平面外的刚度）计算构件配筋。
　　计算结果见下表：
表1 SATWE与PMSAP整体计算结果
计算软件
SATWE
PMSAP
　规范限值

基本周期（s）
X向
Y向
扭转
T1= 1.1477
T2= 0.9922
Tt= 0.9549
T1=1.156
T2=0.940
Tt=0.914

周期比Tt/T1
0.8320
0.7907
≤0.85
最大层间位移角
X向
Y向
1/1866
1/3219
1/2261
1/1153
≤1/1000
非转换层刚度比
X向
Y向
1.46
1.54
1.25
1.25
≥1.0，见注1
转换层上下刚度比1
X向
Y向
0.6930
0.7668
0.9465
0.9208
≤1.3，见注2
转换层上下刚度比2
X向
Y向
87.30%
81.77%
63.29%
68.49%
≥60%，见注3
有效质量系数（%）
X向
Y向
95.72
92.79
93.07
90.16
≥90
剪重比（%）
X向
Y向
1.30
1.40
1.17
1.29
见注4
刚重比
X向
Y向
10.80
12.68
12.43
16.11
≥1.4且≥2.7
见注5
最大轴压比
柱
剪力墙
0.59
0.30
0.57
0.33
≤0.60
≤0.50
注：
1、非转换层刚度比是指X，Y 方向本层塔侧移刚度与上一层相应塔侧移刚度70%的比值或上三层平均侧移刚度80%的比值中之较小者；
2、转 换层上下的刚度比1，指《高层建筑混凝土结构设计规程》附录E.0.2中的转换层上部与下部的等效侧向刚度，采用剪弯刚度算法，转换层设在3层顶，转换层上部结构层数取4~7层，转换层下部结构层数取1~3；
3、转换层上下的刚度比2，指《高层建筑混凝土结构设计规程》附录E.0.2中当转换层设置在三层时楼层侧向刚度不应小于相邻上部楼层侧向刚度的60%。
4、剪重比 X向为1.30%，Y向为1.40%，规范对此类工程情况无明确规定，《建筑抗震设计规范》第5.2.5条，7度时Ⅱ类场地土，第一周期≤3.5S时楼层最小剪重比1.6%，考虑本工程为6度，剪重比略小于上述值，可以认为满足；
5、刚重比≥1.4，满足《高层建筑结构设计规程》第5.4.4条的整体稳定验算，刚重比≥2.7, 按《高层建筑结构设计规程》第5.4.1条，可以不考虑重力二阶效应。
　　SATWE的主要计算图形结果如下：
　　（1）振型曲线如下图，因本工程有转换层，所以有的振型有畸变点。

图3 振型曲线图
　　（2）位移曲线如下图，基本符合框架-剪力墙结构的变形特点，更接近于剪力墙结构的变形特点。

图4 地震作用和风载作用下位移曲线图
　　（3）剪力图如下，自上而下均匀变化，无明显突变。

图5 地震作用和风载作用下剪力图
3.2 转换梁的计算与分析
　　除整体计算外，对工程中的主要受力构件转换梁，取具有代表性的同时承托剪力墙和转换次梁及其上剪力墙的转换梁用FEQ（高精度平面有限元分析软件）补充计算，将结果与SATWE和PMSAP的结果比较，施工图取较大值设计。三种计算结果如下：

(a) SATWE计算结果 (b) PMSAP计算结果

　　　 (c) FEQ分析结果
图6 转换梁计算分析结果
　　由以上图形可以看出：转换梁主筋计算结果FEQ＞PMSAP＞SATWE
转换梁箍筋计算结果FEQ＞SATWE＞PMSAP
4 设计中的几个问题
　　（1）需要多次调整转换层上下剪力墙以使转换层的刚度比满足规范的要求；
　　（2）对承托剪力墙并承托转换次梁及其上剪力墙的转换梁，应进行应力分析，按应力校核配筋，并加强配筋构造措施；
　　（3）转换层楼板厚度设计为180mm，双层双向配筋；
　　（4）由于刚度比较大，部分剪力墙开计算洞以减小墙体的刚度；
　　（5）结构的超长处理在中部附近设后浇带，屋面板配筋双层双向，中部板钢筋适当加强；
　　（6）因基础混凝土等级C30，底层的柱、剪力墙混凝土等级C35，故须验算局部抗压强度是否满足。
5 结语
　　本工程属于复杂高层中的转换结构，又是高位转换，还有很多二次转换，受力比较复杂，按《高层建筑结构设计规程》需要两个不同的力学模型进行整体计算，保证结构设计结果的可靠性和准确性，对同时承托剪力墙和转换次梁及其上剪力墙的转换梁，应进行应力分析作为校核。对于类似的转换层结构，结构专业要分析的问题比较多，本工程经过反复调整计算才得到满意的结果。本文重点介绍了结构设计的整体计算和转换梁局部计算，对结构选型、计算方法、计算参数的选取、计算结果的调整和对比、设计中的主要技术问题等作了详细论述和分析，可为类似结构设计提供参考。
　　本工程于2007年完成设计，并于2008年竣工投入使用，至今已使用3年多，未出现任何质量问题。


参考文献
特殊多、高层建筑结构分析与设计软件PMSAP 用户手册及技术条件 本文链接：http://www.qk112.com/lwfw/sklw/hjkx/246286.html