王云杰 （安徽省建筑設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230601）

0 前言

結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換由于受力復(fù)雜、不利于抗震，一直是結(jié)構(gòu)設(shè)計中的難點。陳世澤[1]分析了大跨體育場結(jié)構(gòu)設(shè)計中的大跨梁上轉(zhuǎn)換問題，熊進剛[2]等分析了高層建筑中的梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，傅學(xué)怡[3]總結(jié)了帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)的正確設(shè)計概念、方法和構(gòu)造做法。在這些研究的基礎(chǔ)上，隨著電算能力的進步，用實體單元的有限元分析法對轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)進行分析成為可能，同時有限元模型與殼單元模型對比分析和包絡(luò)設(shè)計為轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)這一設(shè)計難點提供了新的解決方法。

1 工程概況

某高層住宅項目結(jié)構(gòu)高度為94.2m，地面以上30層，地下3層。在結(jié)構(gòu)2層部分剪力墻通過框支框架轉(zhuǎn)換將豎向荷載傳遞到基礎(chǔ)，建筑效果和結(jié)構(gòu)模型分別如圖1和圖2所示。該工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計基準期為50年，結(jié)構(gòu)安全等級為一級?？拐鹪O(shè)防烈度為7度（0.15g），建筑場地類別為Ⅲ類，設(shè)計地震分組為第二組[4]，抗震設(shè)防類別為乙類。項目所在地50年一遇基本風(fēng)壓0.45kN/m2，地面粗糙度類別為B類[5]。

圖1 建筑效果圖

圖2 結(jié)構(gòu)模型

圖3 結(jié)構(gòu)2層平面圖

圖4 結(jié)構(gòu)3層平面圖

本文主要結(jié)合該項目，分別采用YJK模型和MIDAS實體單元模型對轉(zhuǎn)換層和轉(zhuǎn)換構(gòu)件進行分析和設(shè)計。結(jié)構(gòu)2層為轉(zhuǎn)換層如圖3所示，結(jié)構(gòu)標準層如圖4所示。

2 轉(zhuǎn)換層的等效剪切剛度比

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）附錄 E.0.1[6]，轉(zhuǎn)換下層與轉(zhuǎn)換層上層結(jié)構(gòu)的等效剪切剛度比宜接近1.0，不應(yīng)小于0.5。表1給出了本結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換下層與上層結(jié)構(gòu)的等效剪切剛度比，X方向為0.97，Y方向為0.73，均大于0.5，接近1.0。所以轉(zhuǎn)換下層與上層結(jié)構(gòu)的等效剪切剛度比滿足規(guī)范要求。

3 實體模型分析

考慮到殼單元模型較難反映框支梁上墻體偏心造成的扭矩的不利影響，因此采用Midas軟件進行對比分析，利用實體單元模擬框支梁和框支柱，并按實際尺寸位置布置梁上墻體。為方便分析比較，將轉(zhuǎn)換構(gòu)件分為三個區(qū)域進行編號，如圖5。

表2給出了Midas實體單元模型與YJK殼單元模型的整體分析。

轉(zhuǎn)換下層、上層結(jié)構(gòu)等效剪切剛度比 表1

整體分析結(jié)果 表2

框支柱各荷載工況下的柱底軸力比較（單位：kN） 表3

框支梁各荷載工況下的支座剪力比較（單位：kN） 表4

圖5 框支構(gòu)件實體單元模型示意圖

圖6 框支梁與框支柱編號

以上結(jié)果表明，Midas實體單元模型與YJK殼單元模型的整體分析結(jié)果接近。

4 框支構(gòu)件設(shè)計

采用YJK軟件（殼單元模擬）和Midas軟件（實體單元模擬）分別對框支柱內(nèi)力進行對比分析，分析得出兩種方法得到的內(nèi)力，表3和表4分別給出了框支柱和框支梁在部分工況下的內(nèi)力對比結(jié)果。框支構(gòu)件編號見圖6。

表3結(jié)果表明，采用殼單元和實體單元模擬框支構(gòu)件得到的柱大部分斷面的內(nèi)力大致相同，其中各荷載工況下的柱軸力結(jié)果接近，而部分柱底剪力和彎矩略有差異，主要原因是殼單元模型與實體單元模型相比，柱端節(jié)點域的剛度與長度范圍存在差異。表4表明，采用殼單元和實體單元模擬框支構(gòu)件得到的框支梁內(nèi)力有所差異：兩個模型在各荷載工況下的梁端支座剪力比較接近，同時還應(yīng)對轉(zhuǎn)換梁梁端支座彎矩支座扭矩進行對比，并根據(jù)結(jié)果進行包絡(luò)設(shè)計。

5 框支構(gòu)件應(yīng)力分析結(jié)果

為指導(dǎo)框支構(gòu)件的配筋設(shè)計，確定需要加強配筋的部位，下面給出采用Midas實體單元分析得到的框支構(gòu)件主拉應(yīng)力結(jié)果。圖7給出了恒載框支框架混凝土主拉應(yīng)力。

圖7 恒載作用下框支構(gòu)件主拉應(yīng)力

圖7表明，豎向荷載作用下，框支梁支座和跨中部位的主拉應(yīng)力值較大。同時還應(yīng)分析地震和風(fēng)荷載作用下框支構(gòu)件下的主拉應(yīng)力，并對應(yīng)力集中的位置在施工圖設(shè)計中采取加腋和加強配筋等措施。

6 結(jié)語

本文對某高層建筑中的轉(zhuǎn)換層及轉(zhuǎn)換構(gòu)件進行了深入分析，采用實體單元模擬框支構(gòu)件，按實際尺寸建立分析模型。將實體單元模型與殼單元模型的框支構(gòu)件內(nèi)力進行比較，確保框支構(gòu)件內(nèi)力結(jié)果準確，并根據(jù)實體單元應(yīng)力分析結(jié)果采取局部加腋的加強措施。