钢筋混凝土结构方案设计及转换层设计常见疑难问题解析研讨班学习小结
钢筋混凝土结构方案设计及转换层设计常见疑难问题解析
研讨班学习小结
前言
本届研讨班是由中国建设教育协会培训中心主办，中元国际工程有限公司总工程师张维斌主讲，时间三天，主要内容包括钢筋混凝土（高层建筑）结构设计常见及疑难问题解析、高层建筑结构方案设计及转换层设计的工程实例分析。结合本人工作实际，本文就这次研讨班学习谈些体会供参考。一高层建筑结构方案设计方面
高层建筑不同于多层建筑在于其通常受力情况复杂，影响因素多，一般都是地震或风荷载起控制作用，所以，一些学者给高层建筑的定义为，各项指标（内力和位移）均以水平荷载作用控制的结构。另外，高层建筑通常功能分割复杂，美学要求高，造成建筑平面及立面不规则。因此对于高层建筑结构的方案设计尤为重要。在这次研讨班培训中，关于高层建筑结构方案设计，有两个基本理念得到理解的强化，一是，高层建筑结构应注重抗震概念设计；二是，高层建筑结构应尽量配合建筑，但也应积极沟通。
高层建筑结构抗震的一些基本概念，在《高层混凝土结构技术规程》（以下简称高规）中，多多少少有所体现，首先，平面及立面规则要求，高规均有详细的规定，譬如规定楼板开洞，平面长宽比，平面部分凸出或凹入部分的比例，立面凸出或凹入，错层，高宽比的限值等，诸如此类，那么高规的这些规定本质是什么呢？研讨班张老师几十年的工程设计实践告诉我们，所谓的平面或立面规则的要求，本质上是结构质量及刚度的尽量分布均匀的要求，质量分布均匀，结构各个部分都参与抵抗地震作用，有利于充分发挥结构和构件的抗震性能，实现抗震规范“小震不坏，中震可修，大震不倒”的概念。其次，扭转的规则性，关于这一点，高层建筑中，通常是与平面及立面布置有关，本质上是，让结构有序的抵抗水平荷载作用，而不是无序杂乱的。因为这样的话，不利于结构抗震，导致地震来临时，结构构件该坏的不坏，不该坏的坏了，使结构处于抗震失控状态。因此，高规中，对结构的层间最大位移与平均位移之比以及周期比作出了规定，如，A类高层建筑位移比不宜超过1.2,不应超过1.5，B类高层建筑位移比不宜大于1.2，不应大于1.4，周期比A类高层建筑不应大于0.9,B类高层建筑不应大于0.85,注意，这样的规定本质上是希望结构正常抵抗水平地震作用，大量的工程实践和震害证明，满足这些指标要求的结构能够满足抗震要求，但是，如果不满足这些要求，结构抗震就不能达到预期目的吗？答案是不一定，如果层间最大位移及平均位移足够小，如现行高规对剪力墙结构的层间位移角要求是1/1000,如果结构的这个层间位移角仅1/3000以上，位移比就没有意义了，因此有些专家认为，位移比及周期比只在位移角满足一定范围，它的值才有意义。至于这个范围区间，视具体建筑而定。民用院对剪力墙结构位移比一般要求满足小于1.30即可，
高层建筑结构抗震的概念设计，都要与建筑专业功能要求相结合，结构抗震不能唱独角戏，必须在满足建筑功能要求的情况下的抗震概念设计，这也要求建筑师在平面及立面设计时，同时拥有抗震概念，因此结构师与建筑师的协同工作异常重要，特别实在方案设计阶段。二带转换层的高层建筑结构设计学习心得
随着建筑功能要求越来越高，如大空间，多塔结构，错层等等形式，而要实现这些功能，转换层的设计不可避免，对于多层建筑，转换层的功能不够凸出，常见的如底部框架上层砖房，而对于高层建筑，转换层的设计则尤为凸出，在高规中被称为复杂高层建筑。那么转换层的形式很多，本次研讨班学者着重介绍了以下几种类型：
（一）实腹梁转换，亦称为普通梁，宽扁梁转换，常用于普通多层建筑的转
换，如底框结构等，依靠大梁进行结构形式的转换。
（二）桁架转换：有空腹杆桁架，斜腹杆桁架，所谓空腹杆桁架即无斜杆的
桁架。该转换形式，受力明确，而且材料节省。但是缺点是节点设计复杂。国内尚没有成熟可参考的节点做法。
（三）搭接柱转换、斜撑转换；针对一些平面缩进，错层，进行柱子搭接转
换。常用于高位转换。
（四）箱形转换：顾名思义，采用墙体闭合成箱体实现，上下部结构的转换。高层建筑结构转换中运用较多。（五）厚板转换：竖向荷载作用下转换厚板弯矩分布与板柱结构相似，水平
荷载下，带厚板转换层结构总体受力特点和部分框支剪力墙结构相似，目前国内对厚板转换研究较少，其受力性能、破坏机理尚不清楚。
一般来说，结构转换层对于任何一种建筑物在结构受力上是有缺陷的，如果建筑功能没有特别的功能要求，尽量不设转换层。主要是因为：（1）竖向荷载下结构传力不直接、传力路径复杂、不合理。
（2）转换构件尺寸大，刚度很大。转换层上下结构竖向刚度和质量变化
很大，甚至突变；
（3）转换构件受力不均匀且很复杂，挠度及裂缝宽度验算不容忽视，竖
向荷载成为控制设计的一个重要因素；
（4）在转换层上下一、二层范围内，水平力有突变。转换构件邻近某些
构件受力不均匀且很复杂。
当然，在建筑功能必须满足的情况下，转换层不可避免的需要设计，作为一个结构工程师，则需从以下几个方面考虑选择转换结构形式：（一）首先满足建筑功能要求（二）满足结构规范有关规定：（1）最大适用高度和最大高宽比
（2）7度和8度抗震设计的高层建筑，当已采用超过一种复杂结构时，则不宜同时再采用带转换层结构；
（3）部分框支剪力墙结构在地面以上大空间层数，8度时不宜超过3层，7度时不宜超过5层，6度时层数可适当增加；（4）转换层不宜设置在大底盘屋面以上塔楼内。另外，对于转换层结构还有如下一般规定：
1、平面布置应力求简单、规则，均匀对称，尽可能使水平荷载的合力中心
与刚度中心接近，减小扭转的不利影响。2、控制转换层上、下刚度的突变。3、尽量避免多级复杂转换。
4、框支梁截面中心宜与框支截面中心线重合。
以上从总体上把握了带转换层结构的类型和有关设计规定，下面就部分框支剪力墙转换层的设计进行深入探讨。三部分框支剪力墙结构的转换形式
根据抗震规范定义，部分框支剪力墙结构是指首层或底部两层框支抗震墙结构。它属于抗震不利的结构体系，因此抗震规范及高规从抗震概念设计，最大适用高度，结构分析、抗震构造措施分别作出了相关规定。（一）部分框支剪力墙的抗震概念设计
1、抗震墙的布置合理，较长抗震墙宜开设洞口，将一道抗震墙分成长度均匀的若干墙段，洞口连梁的跨高比宜大于6，各墙段的高宽比不应小于2。避免剪切破坏，提高变形能力。
2、框支层的楼层侧向刚度不应小于相邻非框支层楼层侧向刚度的50％；框支层落地抗震墙间距不宜大于24m，且落地横向墙数目与横向墙总数目不应小于50％。非抗震时不应小于30％。
3、部分框支抗震墙结构的抗震墙，其底部加强部位的高度，可取框支层以上二层的高度及落地抗震墙总高度的1/8二者的较大值，且不大于15m。相应加强部位的抗震构造措施，避免脆性剪切破坏。4、底部大空间部分框支剪力墙高层建筑结构在地面以上的大空间层数，8度时不宜超过，7度时不宜超过5层。主要是因为转换层较高时，下部框支框支结构及落地剪力墙易于开裂和屈服。因此限制了大空间层数。
5、部分框支剪力墙结构的落地剪力墙应加厚。6、框支层的周围楼板不应错层布置。7、落地剪力墙的洞口宜布置在墙体的中部。（二）部分框支剪力墙的最大适用高度
由于框支剪力墙结构本身是抗震不利结构体系，因此相应的适用高度都比框架剪力墙和剪力墙结构都要小一些，如6度区，框架剪力墙结构为130m,剪力墙结构为140m，而部分框支剪力墙结构为120m。同时相应抗震等级的确定都相对提高一个等级，这也充分考虑了部分框支剪力墙转换的弱抗震性能。
（三）部分框支剪力墙的结构分析一般应进行三维空间分析方法进行整体分析，另外框支梁附近楼层还应进行平面有限元分析，目前PKPM的SATWE模块均能实现，当然涉及复杂高层部分框支剪力墙结构还需按高规要求采用两个不同力学模型的结构分析软件进行整体计算。抗震时需考虑平动藕连的扭转效应。
目前SATWE模块能自动对薄弱层进行判定，同时相应调整地震剪力。对于部分框支剪力墙的竖向刚度的突变形成的薄弱层，需对薄弱层进行剪力调整，同时还应对罕遇地震作用下的薄弱层进行弹塑性变形验算，并满足规范要求。SATWE结果显示模块可查阅薄弱层的验算结果。（四）部分框支剪力墙结构的抗震构造措施
由于部分框支剪力墙结构较之框架结构及剪力墙结构的抗震性能弱，因此相应的抗震构造措施，都应加强。
1、
剪力墙的抗震配筋加强，部分框支抗震墙结构的抗震墙底部加强部分，竖向和横向分布钢筋配筋率均不应小于0.3%,钢筋间距不应大于200mm.钢筋的直径不宜大于墙厚的1/10。同时，抗震墙的其他抗震构造措施还应满足剪力墙结构的要求。
2、
部分框支剪力墙结构的柱子的设计，从纵向钢筋的配筋率到箍筋的形式，直径，间距，加密区长度以及体积配箍率都较之框架结构的框架柱得到相应加强。如应采用复合螺旋箍或井字复合箍，箍筋全高加密等等。
3、
部分框支剪力墙结构的框支梁的设计同样也不同于一般框架梁，在部分框支剪力墙结构中，框支梁构件一般为偏心受拉构件，因此，抗震规范对此都有相应专门固定，如其支座上部纵向钢筋至少应有50%沿梁全长贯通，，下部纵向钢筋应全部直通到柱内；沿梁高应配置间距不大于200mm、直径不小于16mm的腰筋等等。
部分框支剪力墙的设计，还需在设计实践中不断完善设计理论，因此，对其受力机理需有明确的概念。三后记
对于高层建筑带转换层的结构设计研讨是这次讲座的重点，由于时间较短，讲课老师对此内容只作了大概的介绍，因此本小结结合了讲课老师的讲座以及自己对规范的理解，谈了以上体会。或许对以后的设计有所启发和思考。最后要感谢院领导提供这次培训学习的机会。
扩展阅读：钢筋混凝土结构设计常见问题解析
钢筋混凝土结构设计常见问题解析
摘要：钢筋混凝土结构设计是一个长期、复杂甚至循环往复的过程，任何一个过程中的遗漏或错误都有可能使整个设计过程变得更加复杂或使设计结果存在不安全因素。本文介绍了钢筋混凝土结构定义和基本原理，探讨了钢筋混凝土结构设计常见问题及解决办法。
关键词：钢筋混凝土结构设计常见问题中图分类号：tu37文献标识码：a文章编号：
在房屋等各种建筑工程中,都是采用钢筋混凝土作为建造材料。因而,钢筋混凝土的材料质量和结构设计,在保证建筑物使用寿命方面具有极其重要的地位。随着多层建筑物和高层建筑物的不断涌现,业界相关人士将关注的眼光越来越多地投注在钢筋混凝土方面。质量优等的钢筋混凝土与科学合理的钢筋混凝土结构,不仅能够保证房屋建筑能够拥有一个安全与稳定的钢筋混凝土结构,也能保证房屋建筑的质量安全与稳定。一、钢筋混凝土结构定义和基本原理1、定义
钢筋混凝土结构是由钢筋和混凝土两种材料结合成整体共同受力的工程结构,其主要承重构件是由钢筋与混凝土制造而成。2、基本原理
混凝土结构在钢筋和混凝土两种不同性质材料的有效结合作用下,能够充分发挥混凝土抗压强度和钢筋抗拉强度的优势,有效地掩饰掉彼此的缺陷。在二者共同抵抗外力的作用下,提高建筑结构中梁和板的承载能力。
二、钢筋混凝土结构设计常见问题解析1、关于超长结构的问题
混凝土结构设计规范规定钢筋混凝土框架结构伸缩缝最大间距为55m,同时规定当采取后浇带分段施工,专门的预加应力措施或采取能减小混凝土温度变化或收缩的措施且有充分依据的,伸缩缝间距可适当增大。这两条使我们在实际设计过程中较难把握。工程实例中超过55m就设置伸缩缝,这显然是很难保证的,而且在采取后浇带分段施工后很难控制房屋的长度而不至于产生裂缝等不良现象。
出现此类状况这取决于各地区的温差及混凝土不同的收缩应力。在结构设计中必须对梁柱配筋进行概念上的调整。首先是长向板钢筋应双层设置,并适当加强中部区域的梁板配筋,笔者认为中部区域作为一个中点必然受较大应力,而两侧梁柱,特别是边跨的柱配筋必须加强以抵抗温度应力带来的推力,而超长结构在角部容易产生的扭转效应也须我们在设计中对角部结构进行加强。当框架结构超过70m时,应采取特殊的措施才能不设置伸缩缝,如采用预加应力,掺入抗裂外加剂等等,而且作为超过70m的结构,必须对温度及收缩裂缝采取定量的分析,并相应施加预应力,这在许多工程实例中应用的效果也是众目共睹的。如果对超长结构,不能有效的分析清楚受力情况,笔者建议还是应按规范要求设置
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