转换层结构的分析

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带转换层高层建筑结构分析 在高层建筑结构的底部，当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时，应设置结构转换层，在结构转换层布置转换结构构件。当高层建筑上部楼层竖向结构体系与下部楼层差异较大，或者下部楼层竖向结构轴线距离扩大或上、下部结构轴线错位时，就必须在结构改变的楼层布置转换层结构。 底部大空间部分框支剪力墙结构，上部为剪力墙结构，底部数层为落地剪力墙或筒体和支承上部剪力墙的框架组成的协同工作结构体系。这种结构类型由于底部有较大空间，能适用于许多建筑功能的要求，广泛用于底部是商店、餐厅、车库、机房等用途，上部为住宅、公寓、饭店等高层建筑。 一、转换结构的计算模型高规10.1.2条文说明，带转换层结构，抗震设计时应采用至少两个不同力学模型的结构分析软件进行整体计算。高规10.1.5条，复杂高层建筑结构中的受力复杂部位，宜进行应力分析，并按应力进行配筋设计校核。 1.1梁托柱的转换结构这类转换层的计算模型，可以仍采用杆模型。如结构中较多轴线采用梁托柱的传力形式，则该结构也应该定义为“复杂高层”，托柱梁应按框支梁设计及构造控制，当转换层在3层及3层以上时，框支柱的抗震等级应提高1级；在特殊构件定义中应把与托柱梁相连的柱定义为框支柱，以便内力调整。 1.2框支剪力墙转换结构高规10.2.10条，转换层上部的竖向抗侧力构件（墙、柱）宜直接落在转换层主结构上。当结构竖向布置复杂，框支主梁承托剪力墙并承托转换次梁及其上剪力墙时，应进行应力分析，按应力校核配筋，并加强配筋构造措施。B级高度框支剪力墙高层建筑的结构转换层，不宜采用框支主、次梁方案。 框支剪力墙结构宜采用墙元（壳元）模型，如SATWE、PMSAP等。框支托梁的构造应按高规的相应要求控制，如托梁上的洞口布置、托梁的腰筋配置等等；框支柱、托梁均应在特殊构件中单独定义，否则程序不会按框支柱、托梁进行设计控制。可以用FEQ对主梁托墙的框支榀进行二次应力分析，FEQ可以按高规的要求进行加强部位的应力配筋。次梁托墙的转换榀则无法进行平面应力分析。 “高规”10.2.1条，非抗震设计和6度抗震设计可采用；7、8度抗震设计的地下室转换构件可采用厚板。厚板转换层结构，目前缺乏完善的分析方法，应尽量避免采用。整体计算时厚板一定要考虑厚板面外的变形，这样才能把上部结构、厚板、下部结构的变形、传力等计算合理，由于厚板上下传力的特殊性，厚板面外变形的正确考虑，决定了计算结果的正确性。厚板平面内可以按无限刚考虑。1.3厚板转换结构 在用SATWE、PMSAP进行结构的整体分析时，应使厚板上下结构的轴线在厚板这层同时画出，并在轴线上布置100*100的虚梁，当虚梁所围成的房间较大时还应增加虚梁，人工地细分厚板单元。最后在分析时厚板必须定义为弹性楼板（可以用“弹性板3”面内无限刚，面外有刚度）。此外厚板本身的细部分析，可以借助二次分析程序SLABCAD完成，其中板的配筋、冲切、应力验算等均包含在内。 SATWE厚板的分析与结构整体分析是分开的，在整体分析中考虑板的变形是为了结构中除厚板以外构件分析的准确性。PMSAP则是板与其它构件一起分析、配筋。支撑厚板的柱均应定义为框支柱。 1.4超大梁转换结构一般这种超大梁占有一层的高度（剪力墙），分析模型与构件的配筋模型难以统一，所以采用两次分析用不同的计算模型来分别解决。1）梁所在的一层仍按一层结构输入，大梁按剪力墙定义，此时可以正确分析整体结构及构件内力，除大梁（用剪力墙输入）的配筋不能用以外，其余构件的配筋均能参考采用； 2）把大梁作为一层输入，即两层合并为一层，大梁则按梁定义，层高为两层之和，这种计算模型仅用于考察、计算大托梁受力、配筋，其余构件及结构整体分析的结果可以不用。层高的增加使柱的计算长度增加，此时程序自动考虑柱上端的刚域，亦使结构分析准确。也可以用FEQ进行二次分析。 1.5桁架转换结构桁架转换结构可由SATWE、TAT、PMSAP输入计算，其分析的关键是桁架上、下层弦杆的轴力，所以在分析时一定要把上、下弦杆层的楼板定义成弹性楼板6或弹性膜，以便计算出上、下弦杆的轴力。当斜腹杆的布置比较简单，只与上、下楼层节点相连，则用SATWE、TAT计算没有问题；如果斜腹杆布置复杂，用SATWE、TAT计算时就需要简化。复杂连接的转换结构可以用SPASCAD建模，PMSAP计算。 二、转换结构的设计控制2.1总体要求的条文规定及软件操作高规条文：1）表4.2.2-1和表4.2.2—1关于A、B级最大适用高度的规定；2）第10.2.2条8度不宜超过3层；7度不宜超过5层；框支层层数规定；3）第10.1.2条9度抗震设计，不应采用带转换层结构；4）按表4.8.2和表4.8.3，正确填写结构构件的抗震等级；5）第10.2.3条，底部带转换层的高层建筑结构布置有关规定。 设定‘底部带转换层高层建筑结构’注意：SATWE、TAT和PMSAP目前将‘底部带转换层高层建筑结构’包含在‘复杂高层结构’中，没有细分。lSATWE①进入菜单《1.接PM生成SATWE数据》→《1.分析与设计参数补充定义》→《总信息》。②在‘结构体系’框中选取‘复杂高层结构’即可。在‘转换层所在层号’项内转换层填入所在的结构自然层号。若有地下室则包括地下室层号在内。 设定‘框架、剪力墙的抗震等级’lSATWE①进入菜单《1.接PM生成SATWE数据》→《1.分析与设计参数补充定义》→《地震信息》。②在‘框架抗震等级’项内选择抗震等级。③在‘剪力墙抗震等级’项内选择抗震等级。 关联操作：抗震等级：用户若要细调每根构件的抗震等级可进行此项操作。经此操作后的构件抗震等级不会再自动提高。计算软件，对以上内容不进行检查和纠错。 2.2刚度控制及软件输出1）位移比周期比高规的4.3.5条规定，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移，A、B级高度高层建筑均不宜大于该楼层平均值的1.2倍；A级高度高层建筑不应大于该楼层平均值的1.5倍，B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑，不应大于该楼层平均值的1.4倍。 高规的4.3.5条规定，结构扭转为主的第一周期Tt与平动为主的第一周期T1之比，A级高度高层建筑不应大于0.9；B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑不应大于0.85。这是一般高层建筑结构，要满足的；带转换层高层建筑结构也是如此。 2）转换层上部与下部结构的侧向刚度比高规的10.2.3条2款，转换上部结构与下部结构的侧向刚度比的计算和限值，应符合附录E的规定。结构计算软件，按附录E的计算方法，计算了侧刚比。高规附录E中E.0.1是针对转换层位于1层的，采用转换层上、下层结构等效剪切刚度比算法，宜为1，限制非抗震设计时不应大于3，抗震设计时不应大于2。 E.0.2是针对转换层位置大于1层的，采用转换层的上部结构与带转换层的下层结构等效侧向刚度比算法，宜为1，限制非抗震设计时不应大于2，抗震设计时不应大于1.3。当转换层设置在3层及3层以上时转换层本层侧向刚度不应小于相邻上一层楼层侧向刚度的60%。 上机操作：三种计算层侧向刚度的方法方法1--高规附录E.0.1的剪切刚度：Ki=GiAi/hi，适用于转换层位于1层的刚度突变的控制；方法2--高规附录E.0.2的方法剪弯刚度：Ki=1/Δi，适用于转换层位置大于1层的刚度突变的控制；方法3--地震剪力与地震层间位移的比：Ki=Vi/ΔUi，适用于转换层设置在3层及3层以上时转换层本层侧向刚度不应小于相邻上一层楼层侧向刚度的60%的控制。 转换层位于1层时用户应该采用‘剪切刚度’方法计算层刚度，当转换层位置大于1层用户应该采用‘剪弯刚度’方法计算层刚度，转换层设置在3层及3层以上时用户还要采用‘地震剪力与地震层间位移的比’方法再计算一次层刚度，从而进行转换层本层侧向刚度不应小于相邻上一层楼层侧向刚度的60%的下限控制。目前程序未输出超下限的警告提示。 当转换层设置在3层及3层以上的结构要计算两次，才能正确地做好转换层上、下刚度突变的控制。结果说明：SATWE可在WMASS.OUT文件中查看 ==================================================高位转换时转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比==================================================转换层所在层号=3转换层下部结构起止层号及高度=1，3，10.10转换层上部结构起止层号及高度=4，6，8.10X方向下部刚度=0.2353E+08，X方向上部刚度=0.2769E+08，X方向刚度比=0.9439Y方向下部刚度=0.4338E+08，Y方向上部刚度=0.3284E+08，Y方向刚度比=0.6072 2.3剪力墙底部加强部位高规的10.2.4条，剪力墙底部加强部位的高度可取框支层加上框支层以上两层的高度及墙肢总高度的1/8二者的较大值。程序按此规定，自动确定剪力墙底部加强部位，并执行与之有关的相应操作。 WMSS.OUT文件中有输出：剪力墙底部加强区信息.................................剪力墙底部加强区层数IWF=5剪力墙底部加强区高度(m)Z_STRENGTHEN=22.90 2.4抗震等级当转换层位置设置在3层或3层以上时，框支柱、位于底部加强部位的剪力墙抗震等级宜按表4.8.2和表4.8.3规定提高一级采用，已为特一级可不再提高。对凡是在整体结构抗震等级中定义的，程序自动判断，是否复杂高层，转换层是否在3层及以上，而对框支柱，底部加强部位的剪力墙的抗震等级提高一级，对底部加强部位的不落地剪力墙的抗震等级不予提高；对于在“特殊构件”菜单中另行改动了抗震等级，则不做调整。最终调整的结果，可在配筋文件中看到，用户可进一步核实。 2.5薄弱楼层地震剪力放大高规的10.2.6条，带转换层高层建筑结构，其薄弱层地震剪力应按高规的5.1.14条规定乘以1.15增大系数。程序依据5.1.14条，检查相邻层刚度比，当楼层抗侧刚度小于其上层70%，或小于其上相邻三层侧向刚度平均值的80%，则将该楼层构件的地震内力乘以1.15。用户可在WMASS.OUT、TAT-M.OUT文件中看到薄弱层信息。 转换层是竖向抗侧力构件不连续贯通，按抗规表3.4.2--2，属竖向不规则，该楼层地震剪力应乘1.15增大系数。此项要点，软件没有自动实现，用户自行指定转换层为薄弱层，以便程序对该层的地震剪力提高。 2.6楼层最小地震剪力系数控制高规的3.3.13条，水平地震作用计算时，结构各楼层对应于地震作用标准值的剪力应符合表3.3.13的要求。 楼层最小地震剪力控制（抗震规范5.2.5，高规3.3.13）抗震验算时，结构任一楼层的水平地震剪力应符合下式要求∶VEKi>λ(Gi+Gi+1+….+Gn)式中VEki—第i层对应于水平地震作用标准值的楼层剪力；λ---剪力系数，不应小于下表规定的楼层最小地震剪力系数值，对于竖向不规则结构的薄弱层，尚应乘以1.15的增大系数；Gi---地震时结构第i层的重力荷载代表值。（结构自重标准值加可变荷载组合值） 楼层最小地震剪力系数值类别7度8度9度扭转效应明显或基本周期小于3.5s0.016(0.024)0.032(0.048)0.064基本周期大于5.0s0.012(0.018)0.024(0.032)0.040注∶1、基本周期介于3.5s和5s之间的结构，可插入取值；2、括号内数值分别用于设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区。水平地震影响系数最大值αmax∶0.08（0.12）0.16（0.24）0.32 程序给出一个控制开关，由设计人员决定是否由程序自动进行调整。若选中∶由程序自动进行调整，则程序对结构的每一层剪重比进行判断，若小于规范要求，则相应放大该层的地震作用效应。 当结构的地震作用不满足规范要求的最小剪力系数时，首先要检查采用振型分解反应谱法选取的振型个数是否足够多；即参与振动的有效质量是否满足了大于90%的要求。不满足此要求，可能是一些高振型的地震贡献没被计算在内；还过少，则反映了结构刚度和质量可能存在不合理分布，严格来说，需要调整结构布置以使其满足最小剪力系数要求。本参数打开时程序自动调整放大地震作用效应以使其满足最小剪力系数要求，此时用户仍应知道该结构的方案可能是存在缺陷的。 2.7框剪结构、框支结构柱地震剪力调整框剪结构的0.2Qo调整框架部分的地震剪力，不应小于结构底部总地震剪力的20%和按框—剪结构分析的框架部分各楼层地震剪力中最大值1.5倍二者的较小值。框支柱地震作用下的内力调整1）框支柱数目不多于10根时:当框支层为1—2层时各层每根柱所受的剪力应至少取基底剪力的2%；2）当框支层为3层及3层以上时，各层每根柱所受的剪力应至少取基底剪力的3%。； 3）框支柱数目多于10根时，当框支层为1—2层时每层框支柱所承受剪力之和应取基底剪力20%；4）当框支层为3层及3层以上时，每层框支柱所承受剪力之和应取基底剪力30%。框支柱剪力调整后，应相应调整框支柱的弯矩及柱端梁的剪力、弯矩。 框支柱地震轴力增大高规4.9.2、10.2.12条规定规定，框支柱在特一级、一、二级抗震时，地震作用产生的轴力分别乘以增大系数1.8、1.5、1.2。但在计算轴压比时不考虑该增大系数。框架梁的弯矩剪力SATWE、TAT、PMSAP在执行本条时，自动对框支柱的弯矩剪力作调整，由于调整系数往往很大，为了避免异常情况，程序给出一个控制开关，由设计人员决定是否对与框支柱相连的框架梁的弯矩剪力进行相应调整。 三、转换结构的设计内力调整 框架柱、框支柱设计内力调整系数框架柱、角柱和框支柱设计内力调整框架柱、角柱和框支柱设计内力调整 一般剪力墙结构设计内力调整系数 带转换层结构剪力墙设计内力调整系数 框架梁、连梁设计剪力调整系数 框支柱设计轴力调整工程例 工程例∶E169，22层，高度61.6m，底三层框支，上部19层剪力墙，7度。框支柱一级抗震。框支柱轴力调整系数1.5。考察第三层第15柱。第三层(转换层)平面 第三层框支柱（柱号15)标准内力中的轴力-------------------------------------------------N-C=15Node-i=463,Node-j=299,DL=3.700(m),Angle=0.000Shear-XShear-YAxialMx-BtmMy-BtmMx-TopMy-Top(1)-4.4-7.5161.3-6.9-4.520.811.8(2)-6.5-34.7-52.434.7-7.093.817.0(3)-2.4-1.785.71.3-2.45.26.6(4)-2.9-15.6-26.415.4-3.042.37.6(5)176.6-42.6-5148.032.1133.8125.5-519.6(6)34.7-4.8-1030.43.826.414.0-102.0------------------------------------------------ 第三层框支柱（第15柱）设计轴力(第28种组合)计算∶1.2*(-5148.)+0.6*(-1030.4)+0.28*85.7+1.3*161.3*1.5=-6457.3第三层框支柱（第16柱）设计轴力(第40种组合)计算∶1.0*(-4657.4)+0.5*(-798.8)+0.28*(-247.9)-1.3*(-468.2)*1.5=-4213.21.5系数只对地震作用产生的轴力进行放大 框支托梁设计内力调整工程例 框支托梁弯矩、剪力调整工程例（第三层） 框支托梁地震剪力调整a、薄弱楼层1.15调整b、框剪0.2Q0调整c、高规10.2.6转换构件地震内力（弯矩、剪力）增大1.8,1.5,1.25d、梁构件剪力调整本例中，第三层框支托梁地震剪力的调整系数如下∶a、1.15；b、X向1.0，Y向1.0；c、1.5(一级抗震)；d、剪力调整1.3。 第31梁剪力标准值∶（右端剪力）N-B=31(Node-i=643,Node-j=644)DL=2.799(m)(1)63.6-74.9-49.50.05.40.00.00.0(2)-9.414.58.50.0-1.10.00.00.0(3)35.8-42.9-28.10.02.70.00.00.0(4)-5.78.65.10.0-0.60.00.00.0(5)570.1475.0376.2273.9167.958.2-55.0-171.9-292.40.0-266.6-277.0-287.4-297.8-308.1-318.5-328.9-339.3-349.725.0(6)113.092.771.950.528.56.0-17.1-40.7-64.90.0-57.1-58.7-60.4-62.0-63.6-65.2-66.8-68.4-70.04.7 剪力设计值、配箍Shear-509.-522.-536.-549.-562.-576.-589.-603.-616.Load(28)(28)(28)(28)(28)(28)(28)(28)(28)CaseAsv280.280.280.280.280.280.280.280.280.Rsv0.800.800.800.800.800.800.800.800.80梁右端剪力设计值计算式∶（第28工况）1.2*(-349.7)+0.6*(-70.)+(0.28*(-28.1)+1.3*(-49.5)*1.15*1.5)*1.3=-616.17薄弱层增大托梁地震内力增大梁剪力调整系数 第39梁标准内力∶（右端弯矩）N-B=39(Node-i=470,Node-j=471)DL=2.950(m)(1)-11.3-152.7-48.60.0-1.40.00.00.0(2)11.816.22.80.03.20.00.00.0(3)-4.7-83.7-26.80.0-0.40.00.00.0(4)5.69.21.20.01.50.00.00.0(5)-73.2-8.951.6108.3161.2210.3255.6297.1334.80.0179.5169.2158.9148.6138.3128.0117.7107.497.13.2(6)-10.5-1.27.515.723.330.336.842.748.00.026.024.522.921.419.818.316.715.213.60.5 弯矩设计值、配筋N-B=39(I=470,J=471)(1)B*H(mm)=350*1150Lb=2.95Cover=30Nf=1-I--1--2--3--4--5--6--7--J-+M0.60.178.293.404.509.610.706.796.(kNm)Load(0)(37)(29)(29)(29)(29)(29)(29)(29)CaseBtm1690.1373.1373.1373.1373.1415.1695.1961.2213.Ast%Steel0.420.340.340.340.340.350.420.490.55梁右端弯矩设计值计算式∶1.2*(334.8)+0.6*(48.0)-0.28*(-83.7)-1.3*(-152.7)*1.15*1.5=796.42 剪力墙设计内力调整工程例 工程例:DM_PS，36层，转换层结构。底6层框支，设防烈度7度，二类场地土。结构总高114.1m,满足B类高度（120m）。底部加强区，底下8层，剪力墙抗震等级特一级。 第7墙板，第28工况，1--6层设计弯矩。 第7墙板，第40工况，1--6层设计弯矩。 位于底部加强部位内的非落地剪力墙的内力调整，取非加强部位剪力墙调整系数进行放大。在底部加强部位内，墙体不连续，上层墙体找不到底部墙体弯矩设计值，取非加强部位剪力墙调整系数进行放大。 四、转换结构的二次分析4.1高精度平面有限元分析FEQFEQ主要针对框支剪力墙结构中框支榀的二次分析，当次梁承托剪力墙时，不能用FEQ分析。所以应注意以下几点：（1）只能分析主梁承托的框支榀；（2）在截取计算榀时，最好全轴线截取，以减少与整体分析时的误差； （3）在截取层数时，只能截取框支层上部不超过4层。因为在整体分析时，框支托梁的竖向刚度要远小于落地墙的轴向刚度，竖向荷载按刚度分配后，使托梁承担的荷载远小于托梁上部的总荷载，所以取转换梁上部3-4层，计算得到的托梁的内力才有参考价值；（4）转换层结构的整体分析，应选用墙元、壳元模型（SATWE），这样FEQ在传递荷载时更为准确；（5）FEQ主要计算框支托梁配筋、剪力墙加强部位的配筋，其他部位、构件的配筋应参考整体分析的结果。 4.2复杂楼板有限元分析SLABCAD对于复杂结构的楼板分析，SLABCAD截取了一层进行单独分析，分析时应注意以下几点：（1)复杂楼板分析较适用于中、薄板单元，厚板结构；（2)当经过SATWE分析后，应注意SLABCAD可以传递、协同SATWE分析的边界条件，而保持一致。本层梁、柱、墙对楼板的约束可直接反映；上下层梁、柱、墙对楼板的约束作用通过分析的柱、墙内力和节点位移（由satwe传递过来），间接反映出来。 （3）注意检查荷载的作用形式，在SATWE整体分析时，板上荷载按人工指定的方式传到梁上，而在SLABCAD中，荷载直接作用在板上，传递方式与单元划分、板刚度、四周的约束边界条件、梁柱刚度等都有关系。 五、有待深入研究的问题5.1转换构件的模型化问题当遇到厚板转换层结构时，对厚板上下构件之间的传力机制存在分析不明、传力不清的问题。目前可以对框支转换结构分析，为使上部墙与托梁共同工作，而使墙下部节点与梁进行位移协调，所以下部托梁被打断成一段段短梁，而托梁的高度又较大，造成梁单元刚度误差、偏刚，有时托梁有整层的高度，这种误差会加大。解决办法只有把托梁也按二维有限元的方法划分单元整体分析，配筋则采用梁的方式。 5.2转换结构的分析方法问题目前，软件对施工过程恒载初内力计算采用了施工模拟算法。该方法对一般高层建筑结构在恒载下柱、墙的竖向变形可以得到一个估计值，使得位于上部楼层的柱与墙之间的梁端弯矩有一个令人接受的分布。由于带转换层结构的高层建筑结构施工过程的复杂性，施工模拟算法，是否符合实际的施工过程，还要按具体工程具体分析，如不能符合则需要根据实际情况另行设计算法。 转换层结构有多种形式，如：桁架转换、厚板转换，最常见的是框支转换。转换层最大的问题是：（1）受力、传力不是很明确；（2）分析、设计手段不太多；（3）规范的构造、参数等不能含盖所有的转换层结构； 所以转换层结构应用多个程序、多种手段分析，尤其是关键部位。对框支、厚板等转换层结构应选用SATWE、PMSAP这种二维单元的分析软件，托梁按梁单元分析，有时会造成托梁刚度偏大的问题，在局部产生较大的应力集中，而使托梁计算超限。 谢谢!