分析有梁式转换层的高层建筑结构设计研究

分析有梁式转换层的高层建筑结构设计研究

王琦

香港华艺设计顾问（深圳）有限公司，广东深圳，518000

摘要：本论文针对某高层公寓塔楼的有梁式转换结构进行了深入研究和分析。其中转换结构采用框支梁转换。为了探讨转换梁的受力状态，我们采用了ABAQUS有限元分析软件，建立了三维实体分析模型，以模拟不同工况下的结构行为。本文详细介绍了材料特性、建模方法、分析过程以及结论。通过对构件内力的对比和分析，本研究为梁式转换结构的设计和分析，同时也突出了不同分析工具和建模方法之间的差异。

关键词：有梁式；转换层；高层建筑结构

引言：高层建筑的设计和分析一直是工程领域中的重要研究方向。在现代城市化进程中，高层建筑的需求不断增长，因此建筑工程师和研究人员需要不断探索新的结构设计和分析方法，以确保建筑物的安全性和性能。梁式转换结构作为一种特殊的结构形式，为高层建筑提供了灵活的设计选择，但也带来了分析复杂性的挑战。

本文通过对一栋165.65米高的框支梁转换结构的转换梁进行深入研究转换梁的受力状态，以确保其在各种工作状态下都能满足性能目标。

一、梁式转换结构设计和特点

某公寓塔楼结构高度为165.65m，标准层高3.6米，由于建筑功能需要，上部结构部分剪力墙不能直接落地，在第二层进行转换，采用框支剪力墙结构。转换结构采用框支梁转换，转换层高6.1米,转换上一层为架空层层高5.3米，转换梁混凝土强度等级为C60，转换层及其上一层结构平面布置。

由于转换梁柱截面尺寸较大，同时需要兼顾建筑车位及功能布置，存在被转换的剪力墙肢不在转换梁中心线上，将对转换梁产生扭矩，而一般三维模型空间结构分析程序使用杆单元或壳单元模拟转换梁，壳元模拟剪力墙，对于偏心墙只能通过刚性杆来其与转换梁相连，使得对这种情况下构件内力计算可能存在误差，同时剪力墙墙肢一端落在转换柱上，转换梁局部受力状态也需关注。需深入研究转换梁的受力状态。

图1公寓塔楼三维示意图

二、模型的建立

本文采用ABAQUS剪力三维实体模型进行分析。ABAQUS是一种广泛应用于工程领域的有限元分析软件。它已被证明在建筑结构分析中具有可行性和高度准确性，而强大的后处理工具，允许我们可视化和分析模型的应力、应变。

（1）建模和材料特性

为方便计算，选取转换层受力较为不利处一榀框支框架及其上层剪力墙从整体结构中切出局部，然后建立新三维实体分析模型。使用细致的网格划分来离散化模型。对不同部分采用不同的网格密度，以便在需要更高精度的地方进行更密集的划分。

混凝土采用了《混凝土结构设计规范》中附录C定义的混凝土应力-应变本构关系曲线。弹性模量按规范取值。泊松比取0.2。钢筋采用理想弹塑性模型，弹性模量取200000Mpa，泊松比取0.3。采用ABAQUS中的CDP塑性损伤模型，它可以更准确地描述材料的非线性行为。

图2转换层及其上一层剪力墙三维模型

（2）边界条件

在转换柱底采用嵌固约束。杆件外端截面通过耦合作用约束到参考点，通过参考点来施加荷载；本项目的性能目标为C，转换梁柱的性能目标为中震弹性，因此在YJK中震整体计算模型中取不利工况的构件内力，施加在参考点上。中震荷载工况为1.0恒荷载+0.5活荷载+1.0（Y负地震作用）。其中荷载均按整体坐标轴方向。

     中震作用下节点荷载                   表1

注：A1,A2为上层墙顶其中两片剪力墙的参考点。

三、有限元分析结果

通过对转换梁进行三维实体有限限元分析，可知转换梁受到轴力、弯矩、剪力、扭矩的共同复杂作用，各单元受力同，应力分布不均。

但混凝土最大应力应力为35.7Mpa，未超过混凝土抗压强度标准值38.5Mpa(C60),框支框架部分混凝土最大应力应力为23.2Mpa，未超过混凝土抗压强度设计值27.5Mpa(C60), 表明混凝土不会被压坏，框支框架处于弹性。钢筋部分框支框架最大应力280Mpa，处于弹性状态。型钢部分S.Mises应力总体不大，且有较大富裕，最大应力72.7Mpa，处于弹性状态。框支框架可以满足预设的中震弹性的性能目标。各单元应力图如图3。

图3混凝土、钢筋及型钢应力图

四、构件内力对比

为对比三维实体模型与壳单元模型计算结果的差异选取转换梁支座处断面A-A、B-B内力与YJK结果进行对比。其中，YJK转换梁采用壳单元模拟，考虑偏心布置，不考虑扭矩折减。对比结果如表2。

以右端支座B-B处的内力为例进行分析，ABAQUS计算的弯矩为-5166.00 KN·m，而YJK的结果为-4524.30 KN·m。这两个值之间存在一定的差异，差距约为1.14倍。这表明在构件B-B处，ABAQUS计算的弯矩较大。在剪力方面，ABAQUS计算的结果为10380.00 KN，而YJK的结果为10746.00 KN。其差异在0.97倍左右，较为接近。对于扭矩，ABAQUS的计算结果为2527.00 KN·m，而YJK的结果为2810.00 KN·m。差异为0.90倍左右。

ABAQUS与YJK内力对比表                表2

五、分析结论

通过以上对剪力墙偏置于转换梁构件的有限元分析，比较不同软件和建模方法之间的差异，分析其对结构性能的影响。

（1） 构件内力对比

从构件的内力对比结果可以看出，两种不同的分析工具（ABAQUS和YJK）在计算内力方面存在差异。这些差异可能是由于不同软件的数值算法、材料模型或假设的差异所致。本文分析中虽差异相对较小，但也需要权衡不同分析工具的优点和局限性，以选择适当的工具进行结构分析，必要时宜进行多软件对比分析。

（2） 关于转换梁的结论

通过对转换梁柱进行三维实体模型分析，该塔楼转换梁中震作用下仍能够满足预设中震弹性的性能目标。

参考文献：

[1] 吕西林等.钢筋混凝土结构非线性有限元理论与应用 [M].上海:同济大学出版社,1997.

[2]庄茁. 基于ABABQUS的有限元分析和应用[M]. 北京:清华大学出版社,2009:68-69

[3] 刘畅. 有梁式转换层的高层建筑结构设计研究[J]. 工程技术研究,2019,4(3):178-179.