高位转换结构设计与SATWE参数控制

[摘要] 以高位转换层结构的实际工程为例,分析了高层建筑带转换层结构设计中应该注意的问题，探讨了结构转换层的方案选择、结构布置、采用SATWE进行结构分析的参数控制。

[关键词]高层建筑、 高位转换、SATWE、参数

近年，随着城市建设不断向前发展，高层建筑不断增加，而处于城镇中心区，由于商业需求，往往在首层至四、五层或更高层设计为商场，而其上则为住宅设计，或者因为地下室停车的需求，对结构设计提出很大要求，我们往往设计为带转换层框支剪力墙结构，以满足建设方底层大跨度需求。本文就近期笔者主持设计的一项工程与大家探讨框支剪力墙结构的设计要点。

本项目位于惠州市惠城区水口（镇）片区，位于环镇路与清湖路交接处，邻近三环路，是未来城镇规划经济热点之一，片区发展前景良好，项目分两部分，北面为高层商业住宅楼，底层商业，南面为花园式低层洋房区，总用地26010平方米，总建筑面积64246平方米。笔者主持设计的为北面高层商住部分，总高27层，地下室一层，结构总高度89米（首层室内起算，不含梯间附作物高度），总建筑面积40792平方米。负一层停车场，首至三层商用，四至二十七层住宅。建设方处于未来发展前瞻及地下室停车需求的考虑，项目设计为框支剪力墙结构，转换层设在第四层，属于高位转换结构。

因为框支剪力墙结构，设计步骤与传统设计不同，上部建筑标准平面完成后，结构师必须按方案提出底部结构布置，并进行初步设计计算，以确定结构基本形式，本工程标准层分对称式的两个塔楼，下图一为标准层左部分建筑简图。根据建筑要求，进行结构布置时应当注意下面几点要求：

1) 中心核心筒剪力墙应全部落地，并加大核心区剪力墙厚度，以增大底部刚度，底层柱网布置应规则、对称，跨距合理适中，应当与上部剪力墙结合考虑，尽量能使上部墙落于柱内。框支柱与核心筒的距离不宜太大，因转换层在第4层，宜控制在10m以下。

2) 转换层采用梁式转换，框支梁布置合理，上部墙应尽量落于框支主梁上，也就是所谓的一次转换梁上；尽量不落于二次转换梁上，或尽量只使墙肢部分落于二次转换梁上；应当杜绝墙肢落于三次及三次以上转换梁上。

3) 上部剪力墙布置合理、规则，普通墙与短肢墙比例适中、合理，符合规范JGJ3-2002《高规》7.1.2相关要求。结构二个方向的墙肢设置均匀合理，尽量不布置或少布置一字剪力墙。

4) 控制好转换层上下刚度的变化，使之尽量接近，并使上下结构重心尽量重合。

据此笔者与建筑师协商后布置出图二的柱墙网图，并定出转换层柱梁布置图如图三。转换层设计特点是墙肢大部分落在柱内或框支主梁上，只有少量落于二次转换梁上，无三次转换梁产生，使得上下轴网大部份对齐不错位。底部柱距大部分在7-10m范围内，并整齐规则。

结构柱墙网布置完成后由建筑方案组进行详细建筑设计，完成功能与消防等设计工作，结构进入结构施工图阶段。计算软件为北京中国建筑科学研究院PKPM2008年版（2010年9月更新版），采用SATWE进行结构分析。基本参数如下：结构类别为复杂高层结构，本地区抗震烈度6度一组，根据规范JGJ3-2002《高规》表4.8.2确定转换层以下框支柱抗震等级为二级，剪力墙底部加强部位（本工程加强层为首层至第六层）抗震等级为二级，非加强部位为抗震等级三级，其中短肢剪力墙根据规范JGJ3-2002《高规》7.1.2第3条规定提高一级；但因转换层在第四层，根据JGJ3-2002《高规》10.2.5条规定框支柱及底部加强层墙在原基础上再提高一级。本地区风荷载50年遇5.5KN/M2,100年6.0KN/M2,根据广东省实施《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3―2002)补充规定（DBJ/T5－46－2005）第2.2.2 条计算风荷载作用下结构水平位移时，基本风压可采用 50年重现期的风压值。在进行结构位移计算时风荷采用5.5，配筋计算时采用6.0。SATWE主要参数如下选取：

总信息 ..............................................

结构材料信息: 钢砼结构

混凝土容重 (kN/m3): Gc =26.00

钢材容重 (kN/m3): Gs =78.00

水平力的夹角 (Rad): ARF= 0.00

地下室层数: MBASE=2

竖向荷载计算信息: 按模拟施工加荷3计算方式

风荷载计算信息: 计算普通风荷载

地震力计算信息: 计算X,Y两个方向的地震力

特殊荷载计算信息: 不计算

结构类别: 复杂高层结构

裙房层数:MANNEX=5

转换层所在层号：MCHANGE=5

墙元细分最大控制长度(m)DMAX= 1.00

墙元侧向节点信息: 出口节点

是否对全楼强制采用刚性楼板假定是

采用的楼层刚度算法剪弯刚度算法

结构所在地区广东

风荷载信息 ..........................................

修正后的基本风压 (kN/m2): WO = 0.55

地面粗糙程度: B 类

结构基本周期（秒）: T1 = 1.42

体形变化分段数: MPART=1

各段最高层号: NSTi = 29

各段体形系数:USi = 1.30

地震信息 ............................................

振型组合方法(CQC耦联;SRSS非耦联)CQC

计算振型数: NMODE= 21

地震烈度:NAF = 6.00

场地类别: KD =2

设计地震分组: 一组

特征周期TG = 0.45

多遇地震影响系数最大值 Rmax1 = 0.04

罕遇地震影响系数最大值 Rmax2 = 0.00

框架的抗震等级: NF = 1

剪力墙的抗震等级: NW =3

活荷质量折减系数:RMC = 0.50

周期折减系数: TC =0.75

结构的阻尼比 (%): DAMP = 5.00

是否考虑偶然偏心: 是

是否考虑双向地震扭转效应: 是

在进行配筋计算时，修正后的基本风压为6.0，并可以不考虑偶然偏心作用。在PKPM建模设计时，人工定义框支柱及剪力墙加强层部位1-7层（负一层为首层）的抗震等级为一级，非框支柱的普通框架柱抗震等级定义为二级，转换层所在的框支梁抗震等级定义为二级，其他梁三级。其他参数的选取按一般作法不再叙述。

材料上的选取，混凝土梁的钢筋采用三级钢，柱墙因大部分为构造性配筋，故仍采用二级钢，这样可省约10%以上用钢量。混凝土标号如下:柱墙地下室至5层C50，6层至8层C45，9至11层C40，12至14层C35，15至17层C30，18层以上C25；梁板混凝土地下室至7层C30，其中转换层C35，8层以上均C25，地下室部分混凝土采用防水混凝土，抗渗等级P6级。因人防设置在南面低层地下室，故本项目不进行人防设计，不考虑人防荷载。

截面选取，框支柱主要截面为1200X1300，1300X1300，1200X1500等几种。框支主梁1200X2000，1300X2000，1500X2000，1000X1500等几种，框支次梁为600X1200。转换层以下墙厚450及300厚，转换层以上加强层墙厚250，其他均为200厚。

结构计算分析按步骤进行，严格按照规范控制位移角、位移比、刚度比、扭转比等参数。本工程SATWE计算后主要技术指标检查如下：

1） 结构整体稳定验算结果：X向刚重比 EJd/GH**2= 3.82；Y向刚重比 EJd/GH**2= 5.21。满足《高规》5.4条要求。

2）楼层抗剪承载力、及承载力比值：本层与上一层的承载力之比值均大于0.80，满足《高规》4.4.3要求。

3）各层刚心、偏心率、相邻层侧移刚度比等计算信息：均满足《高规》4.4.2要求。

4）框架柱及短肢墙地震倾覆弯矩百分比：计算参数改结构类型为短肢剪力墙结构计算一次，结果6层 X向地震:25.20%，6层 Y向地震: 26.01%，说明标准层短肢墙的设置满足《高规》7.1.2第2条要求。计算参数改回结构类型为复杂高层结构后计算，框架柱地震倾覆弯矩百分比结果：1层X向地震: 19.07%，1层Y向地震: 11.92%，说明底层筒体及一般墙的设置满足《高规》7.1.2第2条要求。

5） 第一扭转周期Tt与第一平动周期Tl比值：0.89，满足《高规》4.3.5要求。振型数取了21个，X方向的有效质量系数: 99.50%，Y方向的有效质量系数:99.52%，满足《高规》5.1.13第2 条要求。

6） 位移角限值：在X风最大1/1092，Y风最大1/1017；地震最大值1/1398，产生在X+5% 偶然偏心地震力作用下。满足《高规》4.6.3要求。

7） 层间位移比：均在1.30内；本层位移角与上层位移角的1.3倍及上三层平均位移角的1.2倍的比值的大者：均小于1.0，满足《高规》4.3.5及广东省实施《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3―2002)补充规定（DBJ/T5－46－2005）续表3.3.1-1要求。

8） 高位转换时转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比：根据《高规》附录E相关规定，本工程转换层在第4层，进行SATWE计算时在“SATWE计算控制参数”对话框中的层刚度比计算应当选“剪弯刚度算法”。本工程X方向刚度比= 0.8602，Y方向刚度比= 0.7667。满足《高规》附录E相关规定。

从上面结果分析可以看出，本工程结构布置基本合理，能满足《高规》、《抗规》及《广东高规补充规定》等规范要求。进行结构构件优化设计(构件超筋超限控制)时，SATWE计算参数应当调整风荷修正，可不考虑偶然偏心地震力作用，按总刚分析进行计算，取消对全楼强制采用刚性楼板假定，并设置转换层楼面为弹性板，框支梁应定义为非调幅梁。

注：文章中涉及的公式和图表请用PDF格式打开