声明本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成硕士学位论文“型钢混凝土转换梁与剪力墙节点抗震性能试验研究”。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：霉：j2 0 0 5 年3 月1 目型钢混凝土转换梁与剪力墙连接节点抗震试验研究第一章绪论第一章绪论1 1 引言现代建筑越建越高，越建越大，同时其建筑空间也朝着多层次多功能发展，目的在于为人们提供良好的生活环境和工作条件。在同一幢建筑物中，既要求有小开间的住宅，又要求有大空间的商场；既被设计为办公室，又要求有大空间的停车场。设计综合功能的建筑是现代高层建筑的大潮流。尤其是现代大城市用地紧张以及复杂的立体交叉更需要如此。因而伴随这种建筑物的建筑结构一转换层结构应运而生。转换层属于水平结构，用它去改变下方楼层柱子的排列，或者过渡上下层剪刀墙的不同布置，且以此获得特别的楼层柱网一仓U 造大空间并将上部荷裁传递到下面相对少而大的几根柱或几片墙上。转换层可以是一个水平结构分体系，也可以是一根大梁，利用这种大梁，可以除去底层一些立面结构构件或改变其形式，使得底层尽量摆脱立柱的阻碍，取得扩大底层进出口通道或变化建筑立面的造型效果。也就是说，当上部垂直结构的布置不能以连接垂直线延伸至基础时，就需要转换层( 大梁) 给予过渡，将荷载间接传至底层的立柱上，再传到基础。转换层的结构形式一般可分为梁式、板式和箱形式三种基本类型。箱形和板式转换层受力较为复杂，利用三维空间计算程序作整体受力分析后还要用有限元法进行局部分析后才能用于设计，同时箱形和板式转换层混凝土耗用量较大，造价高，而梁式转换层( 包括桁架式、空腹桁架式等杆系转换层) 受力简单，三维空间计算程序结果可直接用于设计，同时施工方便，混凝土耗用量少，造价低，是一般高层建筑转换层广泛采用的一种结构形式，如北京南洋饭店、波特兰大厦、深圳四川大厦等均采用梁式结构转换层。典型带转换层的高层建筑剖面如图1 1所示。图1 1典型带转换层的高层建筑剖面瞎型钢混凝土转换梁与剪力墙连接节点抗震试验研究第一章绪论1 2 转换层的设计带转换层高层建筑结构是一受力复杂不利抗震的高层建筑结构，在9 度抗震设防地区不宜采用，结构设计需遵循的原贝1 2 0 l 是：( 1 ) 减少转换布置转换层上下主体竖向结构时，要注意尽可能多的布置成上下主体竖向结构连续贯通，尤其是在核心简框架结构中，核心筒宜尽量子以上下贯通。( 2 ) 传力直接布置转换层上下主体竖向结构时，要注意尽可能使水平转换结构传力直接，尽量避免多级复杂转换，更应尽量避免传力复杂、质量大、耗材多、不经济不合理的厚板转换。( 3 ) 强化下部、弱化上部为保证下部大空间整体结构有适宜的刚度、强度、延性和抗震能力，应尽量强化转换层下部主体结构刚度，弱化转换层上部主体结构刚度，使转换层上下部主体结构的刚度及变形特征尽量接近。抗震设计时，宜控制转换层上下部主体结构总剪切刚度之比满足式( 1 ) 要求：G ；A ；h 。 亨1 矿了F 2式中G 4 I 一转换层上楼层主体竖向结构总剪切刚度：G ，爿，h ，一转换层下，楼层主体竖向结构总剪切刚度；G r 、G ，一i 、，层主体竖向结构材料剪切模量；4 、爿一i 、J 层主体竖向结构计算方向截面抗剪有效面积，其中，框架拄截面抗剪有效面积，取其全截面面积的1 2计；h - 、 ，一i 、，层层高。对于下部核心筒框架、上部剪力墙的带转换层高层商住楼结构，应强化下部核心筒，如加大简体尺寸、加厚筒擘厚度、加高混凝土强度等级，必要时可在房屋周边增置部分剪力墙：同时弱化卜部剪力墙，如剪力墙丌洞、开几、短肢、薄型钢混凝土转换梁与剪力墙连接节点抗震试验研究第一章绪论墙等，并尽量避免高位转换。( 4 ) 优化转换结构抗震设计时，当建筑功能需要不得已高位转换时，转换结构还宜优先选择不致引起框支柱( 边柱) 柱顶弯矩过大、柱剪力过大的结构形式，如斜腹杆桁架( 包括支撑1 、空腹桁架和宽扁梁等，同时要注意其需满足强度、刚度要求，避免脆性破坏。1 2 1 梁式转换层梁式转换层( 包括桁架式、空腹桁架式等杆系转换层) 受力简单，三维空间计算程序结果可直接用于设计，同时施工方便，混凝土耗用量少，造价低，是一般高层建筑转换层广泛采用的一种结构形式。表1 1 列出了一些典型的采用梁式转换层的高层建筑。表1 1 采用梁式转换层的典型高层建筑转换梁 序 T 程名称总层数结构类型高度承托层数材料 号 ( n 1 )1上海控江大楼1 号楼3 0筒中筒1 82 7钢筋混凝十2深圳外贸中心大楼4 0筒中筒4 03 4部分预应力3北京南洋饭店2 6框一剪4 51 9钢筋混凝土4上海华亭宾馆3 0框一剪5 8 52 4钢筋混凝土5深圳四川大厦2 4框一简2 8 51 0钢筋混凝十6上海龙门宾馆2 5框一筒4 01 7预戍力混凝土7南京状元楼酒楼1 3框架2 48预应力混凝土8北京太甲洋饭店1 9框支剪力墙2 4n钢筋混凝士9北京太平洋饭店1 9框支剪力墙2 41 1钢筋混凝土实际结构中转换梁形式很多。按平而连接的跨度分为单跨转换梁、双跨转换梁及多跨转换梁；按转换梁卜部墙体是否沿转换梁全长布置有满跨剪力墙转换粱和非满跨剪力墙转换梁之分：按转换梁上部墙体是否开洞义可分为不开洞剪力墙转换粱和开洞剪力墙转换粱1 2 3 1 。实际结构中很多转换梁上部墙体| ：有门洞口。型钢混凝土转换梁与剪力墙连接节点抗震试验研究第一章绪论这些洞口的设置不仅给墙体本身的受力造成影响，而且对支承墙体的转换梁的受力形态有影响。转换梁上开门洞墙体( 包括洞口开至楼面处的窗洞墙体) 的主要特点是墙体只有竖向墙肢与转换梁整体相连，洞底并无水平墙体与转换梁整体连接。经过研究表明，承受开门洞墙体的转换梁受力特性其实与多墙肢作用于转换梁受力特性一致，可采用单墙肢长度b ，而不是取墙总长B 为准来确定是否考虑转换梁与上部墙体的共同作用。对开门洞剪力墙而言，当b 2 5 L 1 0 ( L 为转换梁计算长度) 时，可不考虑转换梁与墙体的共同工作；当b 2 5 L 1 0 0 时，应考虑转换梁与墙体的共同工作。1 2 2 钢骨混凝土的应用钢骨混凝土结构( S t e e lR e i n f o r c e dC o n c r e t e ，简称s R Q ，又称为型钢混凝土结构，指的是在钢骨周围配置钢筋，然后再浇筑混凝土外壳的一种结构。钥骨混凝土结构在各国有不同的名称，在欧美国家称为混凝土包钢结构，在日本称为钢骨钢筋混凝土结构，而在前苏联称为劲性钢筋混凝土结构。钢骨混凝土构件按照钢骨的形式可以分为：空腹式构件和实腹式构件。空腹式钢骨混凝土构件中，钢骨一般由缀板或缀条连接角钢或槽钢组成，较为节约钢材，但构造复杂、制作费用较高。此外，空腹式构件的受力性能及抗震性能相对较差，型钢混凝土组合结构技术规程( J G J1 3 8 2 0 0 1 ) 中规定：高层建筑结构中不宜采用空腹式钢骨混凝土构件。实腹式钢骨混凝土构件中，钢骨一般由钢板焊接拼接或直接采用轧制型钢，制作简单方便、承载能力高，有较好的延性和耗能能力。因此，型钢混凝土组合结构技术规程( 以下简称为型钢规程) 建议：在抗震结构中宜采用实腹式钢骨混凝土构件。除特别说明者外，本文以下所讨论、研究的是实腹式钢骨混凝土构件。在钢骨混凝土构件中，通过钢骨周围所配置钢筋对混凝土的约束作用以及钢骨与混凝土之间的机械咬合作用，内部钢骨与外包混凝土作为一个整体、共同受力，其受力性能要优于钢骨和混凝土两者的简单叠加。钢骨混凝土构件主要有钢骨混凝士柱和钢骨混凝土梁两种主要形式。钢骨混凝士构件还用于剪力墙的边缘构件和斜支撑。前些年在国内采用空腹式钢骨混凝土结构应用比较多，但随着国民经济的提高。目前采用实腹式钢骨混凝土结构应用更加广泛，并且更加有前景。钢骨混凝土结构的主要优点在于：( 1 ) 承载力和刚度高，由于承载力和刚度的提高。所以在外荷载不变的情况F4型钢混凝土转换梁与剪力墙连接节点抗震试验研究第一章绪论可以大大减小了构件的截面尺寸，明显增加了房间的使用面积，改善建筑效果，也使房间中的设备更好布置。由于梁截面高度减小，增加房间的净高，这样可以降低了房屋的层高与总高，具有良好的经济和社会效益。同时由于强度、刚度的显著提高，使其可以应用于大跨、重荷、高层、超高层建筑中。在大跨、重荷和超高层建筑中若使用钢筋混凝土结构，构件截面很大，或是影响工艺布置，或是影响使用，勉强采用钢筋混凝土结构实际上已经不可能或非常不合理。根据钢骨混凝土结构具有刚度大的特点，在钢筋混凝土框架结构中的某些较大跨度部位，采用钢骨混凝土梁是合适的。( 2 ) 钢骨混凝土结构不仅强度、刚度得到明显增强，而且抗震性能比普通钢筋混凝土也有明显得改善。由于实腹式钢骨混凝土柱子的腹板能够承受很大的剪力，抗剪强度有很大的提高，大大改善钢骨混凝土柱子的抗剪性能，减小由于受剪产生的脆性破坏，延性和耗能性能获得很大的提高。同时由于钢骨混凝土中的钢骨使核心的混凝土处于三向受力状态，使混凝土的强度、塑性均有所提高，从而成为一种抗震性能很好的结构，所以尤其适用地震区。在高烈度地震区的超高层建筑中若采用钢筋混凝土结构，这时由于柱子的截面过大，使得柱子实际上为短柱，使得整个结构的延性实际上已经达不到“大震不倒”的要求。所以在高层或超高层建筑的下部几层采用钢骨混凝土柱可以减小截面，满足规范规定的剪跨比的要求。( 3 )比起钢结构建筑，采用钢骨混凝土结构节省了大量的钢材，降低了造价。而且避免了钢结构建筑防锈，防腐蚀、抗火性能较差，需要经常性维护等弱点。与钢结构相比，钢骨混凝土构件的外包混凝土可以防止钢构件的局部屈曲，并能提高钢构件的整体刚度，显著提高钢构件出平面扭转屈曲性能，使钢材的强度得以充分发挥。同时超高层或高耸钢结构建筑刚度较小，侧向位移较大，而钢骨混凝土结构则侧向刚度较大，侧向变形较小。因此也往往型钢骨架本身构成高层建筑的下面数层。( 4 ) 钢骨混凝土结构的另一优点是施工安装时梁柱型钢骨架本身构成了一个强度刚度较大的结构体系。可以作为浇注混凝土时挂模，滑模的骨架，不仅大量节省了模板支撑，也呵以承担施工荷载，形成叠合式的钢骨混凝土结构。这种柱子的大部分竖向简载将由钢骨来承担，后期浇注的混凝土所承受的轴力人为减小，从而使后期叠浇的混凝土在正常使用阶段由怪向倚型钢混凝土转换梁与剪力墙连接节点抗震试验研究第一章绪论载产生的压应变较小。因此在水平荷载作用下能承受较大的弯曲变形，使其变形能力得到改善从而提高叠合柱的延性，可以实现在大轴压比下的延性要求，减小柱子的截面尺寸。同时由于没有模板支撑，大大简化了支模工程，而且也创造了较大的工作面，不受梁柱模板的影响，所以具有广阔的使用前景。但钢骨混凝土也存在以下一些不足之处：( 1 ) 节点配筋构造较复杂，工程施工困难，连接构造问题是组合结构中的关键技术，还需要深入细致的研究工作。( 2 ) 经过经济分析比较，钢骨混凝土结构造价是混凝土结构造价的1 5 倍。( 3 ) 现有的钢骨混凝土的理论方面各国学者的观点不尽一致。在国内，对影响钢骨混凝土的受力性能及非线性分析缺乏深入和系统的研究。1 2 3 钢骨混凝土转换梁的设计嘲由于建筑上下不同的结构体系采用梁式转换层加以连接，转换层承托了很大的荷载，导致在整体结构计算的时候，如果在转换梁的截面尺寸受到限制时，梁的抗弯、抗剪均会出现超筋现象，这时如果采用普通钢筋混凝土结构已无法满足要求，那么，采用型钢混凝土( 国内以往也将其称作劲性钢筋混凝土) 结构就成为一个比较理想的解决方法。采用型钢混凝土转换梁，主要有以下几个优点：( 1 ) 型钢混凝土结构可突破混凝土中含钢率的限制，可较大幅度地提高抗弯