转换层结构教程

转换结构分析模型的合理简化及处理方式

建筑科学研究院1。转换结构的特点和类型2。转换结构的计算模型3。转换结构的内力调整和设计控制4。转换结构的补充分析1.1。转换结构的受力、变形特点特点竖向力的传递不连续。在转换层上下一、二层范围内，水平力有突变。转换层上下容易产生刚度突变。转换层落地和不落地竖向构件变竖向形差较大，造成转换层上部结构在恒载作用下弯矩、剪力突变，容易超限。变形复杂、传力不明确，尤其在复杂的转换层结构中，如：厚板转换层、超大梁转换层、箱形大梁转换等等。转换层刚度、质量集中，造成地震效应突然增大。转换层跨度大，需要考虑竖向地震作用。设计从严。转换层分析不能采用简化方式，如转换梁的轴向变形不能忽略，则不能采用刚性楼板假定。转换层构件容易产生剪力突变，有时这种剪力集中现象需要采用二次补充计算才能发现。1.2。转换结构的类型属于标准杆系有限元分析模型，不需要简化。注意：要定义转换梁。梁托柱转换。这种转换可以采用经典的杆系有限元分析，不需要进行专门的模型简化。框支剪力墙结构：应用最广的形式。变形特点转换梁与框支墙在交接面上变形协调。受力特点转换梁受力复杂，其轴向力不可忽略按偏心受力构件设计配筋。分析要点转换梁的准确分析，取决于与上部剪力墙的变形协调节点的多少。框支柱托梁转换层上部剪力墙需加强的区域墙梁的变形协调节点剪力集中点，造成剪力突变。在框支柱边和洞口边的梁截面上厚板转换层结构：应用很少，抗震很不利变形特点厚板上部的结构变形，通过厚板的面外变形，传到下部结构中。由于上下部结构完全对应不上，厚板的面外变形传力方式特别复杂。受力特点厚板自重大，地震效应大，抗震很不利。厚板受到较大的剪切，需要验算厚板的冲切。分析要点由厚板上部结构的轴线，加上厚板下部结构的轴线，在厚板层产生较多的房间，此时房间四周可以用虚梁输入，定义真实的板厚，在分析时考虑“弹性板3”。对于较大的房间，还应再划分成几个小房间，以协助厚板的单元划分。厚板计算的准确性，取决于厚板单元的类型和单元划分的合理性。红色为下部结构的轴线黄色为上部结构的轴线超大梁转换结构：变形特点转换梁占据整个一层的高度，并且有上下两层楼板作为侧向支撑。转换梁与框支墙在交接面上变形协调。受力特点转换梁受力复杂，其轴向力不可忽略按偏心受力构件设计配筋。但是两层的侧向楼板对大梁有较强的约束，所以大梁的轴向变形较小。这是有利因数。分析要点转换梁的准确分析，取决于与上部剪力墙的变形协调节点的多少。以及大梁与两层小梁的协调关系。占据一层的转换大梁，有时梁中间开有小洞两层楼板桁架转换结构：变形特点桁架与上下部结构杆系相连，采用杆模型，变形自然协调。受力特点桁架上下层刚度突变，应力容易集中，造成内力突变。上下玄杆应考虑轴向变形。分析要点要考虑上下玄杆的轴向变形，就不能考虑刚性楼板假定。上玄杆下玄杆2.1。梁托柱结构的计算模型这类转换层的计算模型，可以仍采用杆模型即可。如结构中采用大量的梁托柱的受力形式，则该结构也应该定义为“复杂高层”及“转换层结构”，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，所以在特殊构件定义中应把与托柱梁相连的柱定义为框支柱。梁抬柱的传力，是由梁柱协调变形完成的，柱的轴力由梁的剪力平衡，所以，可以通过查看梁剪力或柱轴力来确认上部柱传来的集中力。梁柱的变形协调梁柱位移协调点，也是柱轴力、梁剪力的平衡点梁抬柱点梁抬柱点上层柱内力小上层柱内力小再向上层则柱内力变大再向上层则柱内力变大梁抬柱的柱轴力随刚度减弱而减少立面观察2.2。框支剪力墙结构的计算模型高规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。注意“壳元最大边长”这个参数应取得尽量小。这是为了转换梁与上部剪力墙协调点多些，变形协调更合理。转换梁应该考虑轴向变形的影响，所以要考虑弹性楼板，转换梁才能计算出轴力。转换层弹性楼板的定义为了与上部剪力墙协调，托梁被划分成4小段，协调接点5个2.3。厚板转换结构的计算模型“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，目前没有很好的分析方法，应尽量避免。由厚板上部结构的轴线，加上厚板下部结构的轴线，在厚板层产生较多的房间，此时房间四周可以用虚梁输入，定义真实的板厚，在分析时考虑“弹性板3”。厚板计算的准确性，取决于厚板单元的类型（采用块体单元、中厚板单元等）和单元划分的合理性。采用SATWE时要注意：对于较大的房间，还应再划分成几个小房间，以协助厚板的单元划分。采用PMSAP时，由于其有楼板单元的划分功能，分析时选择楼板单元划分即可。厚板的冲切验算必须考虑。一层平面厚板转换层的实际工程二层厚板转换层平面定义虚梁标准层平面——4个塔厚板的单元划分厚板自重太大造成转换层地震作用的突变2.4。超大梁转换结构的计算模型一般这种超大梁占有一层的高度，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解决问题。模型一：梁所占有的一层仍按一层输入，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。模型二：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参考。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。模型一模型二柱竖向刚域按墙定义按大梁定义2.5。桁架转换结构的计算模型桁架转换结构可由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在上下弦杆层定义弹性楼板，计算出上、下弦杆的轴力。当斜腹杆的连接比较简单，如只与上下层节点相连，则用SATWE、TAT计算没有问题。如果联结复杂，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。桁架转换长见于高层钢结构，其中中心支撑虽然刚度贡献大，但会引起结构局部的内力突变，所以，大量采用偏心支撑和耗能梁，以提高结构的延性。上弦杆下弦杆耗能梁偏心支撑3.1。转换结构的内力调整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。转换层应强制为薄弱层。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。其中的框架柱应考虑0.2Qo调整抗震规范6.2.13条规定，侧向刚度沿竖向分布基本均匀的框—剪结构，任一层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，高规10.2.7条规定：1）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。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。组合设计内力的调整梁设计剪力调整转换梁设计剪力调整柱设计内力调整框支柱设计剪力调整剪力墙设计内力调整框支柱的剪力调整框支柱从标准剪力到设计剪力是怎样调整的？框支柱从标准内力到设计内力需经过：地震内力的放大：（1）薄弱层1.15的调整（转换层应强制为薄弱层）；（2）统计层剪力，求出需进行2%、3%、20%、30%调整的放大系数；（3）双向地震组合的内力放大（一般转换层结构选择较多）；注意：程序是先做“双向地震组合（3）”后做“楼层剪力调整（2）”，两者次序不同，结果是不同的。（4）设计内力的放大：各层框支柱均采用相同的设计剪力放大系数：特1级、1级、2级、3级的设计剪力放大系数分别为：3.024、2.1、1.5、1.265特1级、1级、2级、3级的设计弯矩调整系数则与普通柱一样调整转换托梁第7号框支柱托梁上部的剪力墙第7号框支柱第188号托梁WNL6.OUT中输出的内力含：双向地震组合。WWNL6.OUT中输出的内力含：最小剪力系数的放大、薄弱层放大、30%的地震内力调整。最大控制剪力由第30号组合产生，剪力值达：2877kN

剪力的组合计算：分项系数NcmV-DV-LX-WY-WX-EY-EZ-ER-F301.200.600.000.280.001.300.000.00标准剪力的组合，注意特1级剪力调整系数3.024[(-235.7)*1.2+(-20.2)*0.6+(-69.8)*0.28+(-490.0)*1.3]*3.024=-951.5*3.024=2877.3kN从以上组合分项系数和调整系数，可以看出弹性标准剪力到设计剪力的巨大差异。转换梁的内力调整框支托梁的设计内力是怎样调整的？框支托梁从标准内力到设计内力需经过：地震内力的放大：（1）薄弱层1.15的调整（转换层应强制为薄弱层）；（2）双向地震组合的内力放大（一般转换层结构选择较多）；（3）地震内力无条件放大，对特1级、1级、2级，放大系数分别为：1.8、1.5、1.25设计内力的放大：框支托梁的设计剪力调整系数与普通梁一样。对特1级、1级、2级、3级，放大系数分别为：1.56、1.3、1.2、1.1188号托梁抗剪超限WNL6.OUT中输出的内力含：双向地震组合。WWNL6.OUT中输出的内力含：最小剪力系数的放大、薄弱层放大。最大控制剪力由第30号组合产生，J端剪力值达：11726kN

剪力的组合计算：分项系数NcmV-DV-LX-WY-WX-EY-EZ-ER-F301.200.600.000.280.001.300.000.00标准剪力的组合，注意特1级剪力调整系数1.56(-2433.1)*1.2+(-302.5)*0.6+竖向内力[(-509.5)*0.28+(-2301.7*1.8)*1.3]*1.56水平内力=-3101.22+(-5528.64)*1.56=11725.9kN注意：梁的设计剪力调整系数只乘在水平力项，与竖向荷载无关。从以上组合分项系数和调整系数，可以看出弹性标准剪力到设计剪力的巨大差异。框支托梁为什么容易抗剪超限？原因主要是上部剪力墙与下部托梁协调工作，传给下部的内力太大造成。由上例188号梁所例：恒载产生的剪力：2433kN地震产生的剪力：2301kN地震力控制是因为地震剪力的调整太大的原因。由此可见，竖向荷载、地震荷载是梁抗剪截面超限的主要原因。第188号托梁所在的位置托梁与上部剪力墙的协调点托梁上部墙体的单元划分外部因素：（1）荷载是否太大；（2）结构刚度是否局部偏小；（3）地震设防烈度与结构设计是否存在矛盾。内部因素：（1）壳单元与杆单元的位移协调是否会带来应力集中；（2）杆单元相对很短，是否会造成刚度偏大，以至吸引荷载；（3）单元划分是否不合理。所以，可以见到转换层结构的复杂性。因此我们建议采用多个不同模型的软件复核，如：PMSAP、FEQ等。梁截面抗剪承载力：b*h=0.8*1.8，C400.15fcbho=0.15*19100*0.8*(1.8-0.0425)/0.85=4739kN远不满足设计剪力11725kN的要求，需要增加截面，提高强度，或采用其它方法。3.2。转换结构的设计控制基本要求的条文规定：4.2.2-1和表4.2.2—1关于A、B级最大适用高度的规定；第10.2.2条8度不宜超过3层；7度不宜超过5层；第10.1.2条9度抗震设计，不应采用带转换层结构；按表4.8.2和表4.8.3，正确填写结构构件的抗震等级；第10.2.3条，底部带转换层的高层建筑结构布置有关规定。设计调整薄弱层。水平转换构件。竖向转换构件——框支柱。转换层刚度的条文规定位移比、周期比。转换层上部与下部结构的侧向刚度比。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。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。

连梁竖向变形差产生的超限剪力框支托梁上部的连梁为什么容易抗剪超限？连梁地震内力的放大：（1）薄弱层1.15的调整（转换层应强制为薄弱层）；（2）双向地震组合的内力放大（一般转换层结构选择较多）。连梁设计内力的放大：连梁的设计剪力调整系数与普通梁一样。对特1级、1级、2级、3级，放大系数分别为：1.3、1.3、1.2、1.1第73号连梁超限第73号连梁跨高比为2.7剪力的组合计算：分项系数NcmV-DV-LX-WY-WX-EY-EZ-ER-F281.200.600.280.001.300.000.000.00标准剪力的组合，连梁特1级剪力调整系数:当连梁的跨高比小于2.5时，取1.3当连梁的跨高比大于2.5时，取1.56316.3*1.2+65.4*0.6+竖向内力[33.9*0.28+254.6*1.3]*1.56水平内力=418.8+340.47*1.56=949.9kN注意：梁的设计剪力调整系数只乘在水平力项，与竖向荷载无关。从以上组合分项系数和调整系数，可以看出弹性标准剪力到设计剪力的巨大差异。与前面的托梁类似，连梁的抗剪超限，竖向荷载引起的竖向变形差产生的剪力，占有较大的比例。是超限的主要原因之一。恒载产生的剪力：316kN地震产生的剪力：254kN地震剪力的调整也是超限的主要原因之一。综上所述，连梁的两端受下部轴向刚度的不均匀性，在竖向荷载作用下，两端产生较大的竖向位移差，所以恒载产生的剪力，占有很大比例。当竖向荷载产生的剪力已经超过连梁的抗剪承载力时，应修改连梁方案。不落地墙的超限框支托梁上部的不落地剪力墙为什么容易抗剪超限？托梁上部两层的剪力墙属于加强区：双向地震组合的内力放大（一般转换层结构选择较多）。剪力墙加强区设计内力的放大：加强区剪力墙设计剪力调整系数：对特1级、1级、2级、3级，放大系数分别为：1.9、1.6、1.4、1.2框支榀托梁位置33号墙柱33号墙柱33号墙柱超限剪力的组合计算：分项系数NcmV-DV-LX-WY-WX-EY-EZ-ER-F311.200.600.00-0.280.00-1.300.00标准剪力的组合，2级剪力调整系数为1.4[667.7*1.2+106.1*0.6+(-135.4)*(-0.28)+(-180.5)*(-1.3)]*1.4=1137.46*1.4=1592.45kN可见，恒载引起的剪力为667kN，而地震产生的剪力为180kN。两者差异甚大。原因：恒载作用下，墙两端产生较大的竖向位移差（或专角）所至。4.1。转换结构的补充分析高精度平面有限元分析FEQ复杂楼板有限元分析SLABCAD有待深入研究的问题转换构件的模型取向问题转换结构的分析方法问题转换层结构有多种形式，如：行架转换、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。FEQ是把托梁也按照二维单元分析的局部平面有限元分析软件，在使用时应注意：（1）尽量全轴线截取计算榀；（2）截取高度在转换层上部3-4层；（3）FEQ不能分析次梁托剪力墙的情况。

FEQ的复核分析框支托梁和上部的不落地剪力墙是否可以采用FEQ的计算结果？可以，也需要用“高精度平面有限元FEQ”进行复核分析。FEQ可以对框支托梁、托梁上部剪力墙的应力配筋（见高规第10.2.13条的要求）进行复核。但是，需要注意：（1）尽量全轴线截取计算榀。为了减少左右结构刚度的协调损失。（2）截取高度在转换层上部3-4层。也可以取全高，但是对底部框支托梁的内力影响不大，所以没有必要增加计算量。（3