高层建筑结构转换层的结构设计

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  摘要:转换层的结构作为当前高层建筑设计人员普遍面临的一项工作,直接决定着该建筑设计方案对于用户需求的满足程度,并且影响高层建筑的结构设计质量。本文笔者结合自身工作实践经验,从高层建筑转换层的结构形式、高层建筑转换层的设计原则、高层建筑转换层的结构设计以及高层建筑中转换层结构优化设计策略等方面对高层建筑结构转换层的结构设计进行了探讨。
  关键词:高层建筑、结构转换层、结构设计
  中图分类号:TTU208 文献标识码: A
  
  一、前言
  和国外发达国家出现逆城市化现象相反,我国正处于一个城市化进程加速发展的时期。城市化进程加快的一个主要标志就是大规模的高层建筑拔地而起。从大量的数据分析和实地调查结果中我们发现,越来越多的城市高层建筑开始朝着多功能发展。同时高层建筑的功能需求也发生了很大的变化,不再是单一、枯燥和片面的。常见的建筑物结构形式为民用住宅与公共场所通过墙体、柱网进行分开,各自满足自身的使用要求。在这其中运用到了转换层,只有通过转换层才能实现这种结构变化形式的过渡,完成各自的需求功能。
  
  二、高层建筑中转换层结构相关问题概述
  1、含义
  高层建筑结构具有上部楼层受力小而上部楼层受力大的特点,设计人员普遍会提高下部结构的刚度以及墙、梁、柱等的数量,并在楼层逐渐升高的过程中,减少设计中的墙、柱结构应用,继而使建筑形成稳固的结构支撑柱网,这就决定高层建筑的下部结构空间要大于上部结构的空间,此种设计与常规建筑结构设计方案恰好相反,设计人员必须在空间结构转变的楼层加设水平的转换构件,才能保证设计目标的达成,此种结构设计即为高层建筑的转换层。
  2、形式
  目前,高层建筑中转换层的设计,主要采取箱、梁、板、柱、桁架、框架这几种结构形式,各种结构形式在设计中存在着显著的差别,这些差别便是设计者在进行结构设计时,必须遵从的前提与依据。本文下面就对箱、梁、板以及框架几种结构加以分析。
  (1)梁式转换结构
  常用于垂直转换施工,它以上部墙到转换梁再到下部柱的途径传递受力,传递路径直接顺畅,便于进行受力计算以及工程分析,高度大致为0.8~6.0m,造价比较低。箱式结构是在单项和双向的托梁配合的基礎上,再与上层和下层楼板共同浇筑而成结构,具有较高的刚度。
  (2)板式结构
  板式结构应用于上层和下层之间的柱网过多错开,且不具有规则的结构布置,梁支托难以实施楼层转换,板的厚度约为2.0~2.8m,需要能够满足抗剪与抗切的要求,且此种结构便于灵活布设,但是它具有较大的自重,需要耗费诸多材料。
  (3)框架结构
  框架结构是以巨型柱或者竖向的筒体为大梁而构成的转换结构,具有较高的抗震性能,其下层的柱体结构布设,必须考虑实际拉应力的状况来选择适当的构件,且要在施工之前加设稳固的临时支撑结构,为目前转换层结构主要发展的趋势。
  
  三、转换层的功能与设计原则
  1、转换层的功能
  高层建筑设计中采用转换层结构,能够实现以下功能。首先,建筑功能。提供较大的室内空间和出入口。其次,结构功能。转换层能够实现上下结构类型的转换,使得上部剪力墙结构和下部框架结构能够有机融合,使建筑拥有更大的内部空间。转换层能够改变轴线、上下层柱网,却不改变上下层结构形式,从而扩大下部柱距,形成大柱网。转换层能够是上部剪力墙结构转变为框架结构,错开上部楼层轴线和柱网轴线,错位布置上部结构和下部结构。
  2、设计原则
  (1)要尽量减少转换次数,布置主体的竖向构件时,要上下连续贯通尽可能多的剪力墙和柱,转换构件少,转换层引起的刚度突变就会小,就会越有利于结构的抗震。
  (2)做到传力直接,在设计时要避免多级转换,使水平转换结构能够传力直接,要避免使用次框、支柱梁的结构方案。
  (3)要优化转换层上下结构的侧向刚度比值。按照相关的规范要求,在设计过程可以采取加大框支柱断面、加厚剪力墙厚度、提高混凝土强度等级来强化转换层下部结构的刚度,还可以弱化上部结构的刚度。这些措施可以减少优化转换层上下结构承载力和侧向刚度的变化,满足抗震的要求。
  (4)要保证计算的准确性,可以采用两种力学模型不同的三维空间分析软件来计算整体的内力,两种软件计算完成后还要进行结果的对比分析。
  
  四、高层建筑转换层的结构设计
  1、高层建筑转换层中有关抗震的设计
  高层建筑转换层会引起建筑物竖向刚度发生突变,遭遇地震作用时形成薄弱环节,就会影响结构的抗震功能。所以在设计转换层结构时要做到以下几点:
  (1)尽量减少需要转换的竖向构件,竖向构件直接落地的数量越多,转换结构就会越少,刚度突变也就越小,有利于结构的抗震。
  (2)在高层建筑的竖向位置,转换层结构宜低不宜高。
  (3)要优化转换层的结构,选择具有明确传力路径的型式,以利于结构的分析设计和确保施工的质量。转换层的刚度在满足建筑物经济和安全要求下,宜小不宜大。
  2、高层建筑转换层总体结构设计
  (1)下部主体结构刚度的分布
  竖向刚度的突变在转换层结构中是个非常复杂的问题,进行抗震设计时,转换层结构中上下层主体结构总剪切度要满足一定的要求,这时就可以采用增设剪力墙、提高混凝土强度等级、加大下部主体竖向构件的截面尺寸等方法。
  (2)合理布置剪力墙
  要注意到剪力墙对上下刚度传递时造成的影响,要想避免上下结构刚度的突变,可以通过以下方法来解决:首先,减少上部的刚度,尽量不在上部设置剪力墙;其次,要加大下部的刚度,在条件允许的情况下,可以在适当的部位设置一些落地剪力墙,还要保证落地剪力墙的均匀对称分布,不要出现过于集中的现象。
  (3)合理选择转换层的结构刚度
  设计转换层结构时,要合理的选择转换层结构的刚度。如果刚度过大,会引起竖向结构的突然变大和地震反应,使转换层受力状态很不好,同时还会导致材料的用量增加,造成成本增加,不具有经济合理性。如果刚度过小,上部的竖向构件跟其它竖向构件会出现很大的沉降差,导致水平构件中产生次应力,配筋也会增加。
  3、高层建筑转换层结构的构件设计
  (1)框支柱的设计
  在转换层结构中,框支柱是重要的构件,对整个结构的安全性有着很大的影响。由于各种原因的存在,在实际施工中,楼板会出现变形的问题,剪力墙也会导致裂缝的产生。而且变形和裂缝都会降低刚度,使框支柱的剪力也增加很多。因此在实际结构设计中,要根据相关的标准规范单独的设计能够提高框支柱剪力的单元。还要把框支柱上部墙体的纵筋延伸至墙体的内层,从而可以强化转换层的上下连接关系。
  (2)转换层楼板的设计
  框支剪力墙通过转换层可以分为上下两部分,上下两部分的受力情况是不同的。在上部的楼层中,外荷载引起的水平力是根据剪力墙的不同刚度比例进行分配的;在下部的楼层中,落地剪力墙刚度由于跟框支柱的刚度有很大差别,它承担了大部分的水平剪力,转换层部分的荷载分配不均匀。转换层楼板主要负责承担上下部分剪力的分配,由于转换层楼板受力强、变形幅度大,因此为了完成转换任务必须要具备足够的刚度。
  (3)高层建筑结构转换层框支架设计
  高层建筑结构转换层框支梁的作用是将剪力墙上面部位传递的竖向荷载承托住,以确保框支剪力墙具备足够的抗震能力。通过实验证明,梁端和柱头在竖向荷载的作用下,最容易被破坏,因此其结构设计必须注意:框支架的宽度大小要大于上部墙体2倍以上的厚度,约为400mm左右。如果梁高不足,则可以再上端部位加设腋梁。其中梁的抗剪承载力决定了上梁的截面尺寸,如果框支梁没有设置弯起钢筋,则箍筋和混凝土需要一起承受所有的剪力。关于梁截面尺寸,可按照有关公式确定。
  
  五、高层建筑中转换层结构优化设计策略
  1、设计人员在对转换层进行设计时,必须结合该建筑的具体设计方案,来选择适当的梁式、箱式或桁架、框架式的结构,以保证其转换层结构和建筑整体结构之间在设计方面的协调性,尽可能使质量中心贴近于刚度中心。比如,建筑的上层结构与下层结构在柱网错开幅度过大或全部错开时,应当选择梁式的转换层结构,以使上部轴网和下部轴网之间尽可能多的对齐。
  2、设计人员还要认真地做好对于落地构件的对称、均匀设计,并适当提高其强度等级与截面尺寸,以钢筋、混凝土材质为材料,保证转换层以下的抗侧力构件对于抗剪以及抗弯刚度需求的满足。同时,设计人员还要避免建筑竖向结构刚度的过大差异,保证上层与下层二者的转换层结构差值处于1左右,并适当地将落地墙的厚度增加,并缩小洞口的尺寸,或将补偿剪力墙设置在结构中,以使建筑具有适当的空间刚度。
  3、设计人员应当通过根据梁跨中部位支座的正弯矩与负弯矩二者减弱的速度规律(前者快后者慢),将下部的钢筋设计为全部深进锚固结构的形式,可以取消弯筋设置,腰筋的直径要保持在16以上,配置间距控制于200mm以内。且高层建筑的结构转换层不同于其它普通的薄壁杆件,它具有复杂的形状及受力状况,且需要承担相对集中的应力,因此,设计人员必须以整体计算作为基础,认真做好对于各部位构件的局部应力计算,并按照实际的应力分布状况,为转换层结构适当的配筋。
  4、设计人员还要尽量做好对于建筑的空间布设,高层建筑中的结构与设备的转换层一般位于同一楼层,若楼层高度为2.9m,势必会造成楼层空间的浪费,若楼层高度小于2.2m,又会造成建筑扭转刚度与侧移刚度二者的增加,所以,为了应对建筑竖向刚度的突变,设计者还要尽可能地避免其转换层的过高设置(一般位于6层以下),并且可以适当地将结构与设备的转换层分开设置,前者设置于2~3层,而后者设置于4~5层。
  
  六、结构计算
  1、框支剪力墙结构的内力分析分两步:首先采用三维空间方法进行整体结构的内力分析.得到各构件的内力和配筋:然后对转换梁(框支梁)附近楼层进行平面有限元分析,取得详细应力分布.然后决定转换梁(框支梁)和附近墙体内的配筋,平面有限元分析的范围选取底层框架和框支层以上4层的墙,底层框支梁柱的有限单元按300划分,在梁柱全截面高度下划为五等分,上层墙体结合洞口位置均匀划分。
  2、内力分析后,应对楼层剪力作如下调整:
  (1)底层落地剪力墙承担该层全部剪力;
  (2)底层框支柱承担20%~30%的底层剪力,其分配原则应按下表进行。
  
  框支柱剪力调整后,应相应调整框支柱的弯矩及柱端梁(不包括转换粱)的剪力、弯矩,框支柱的轴力可不调整。
  (3)带转换层的高层建筑,转换层的下部楼层由于设置大空间的要求,使得部分竖向抗侧力构件不连续,侧向刚度会产生突变,一般比转换上部楼层的刚度小,设计时应采取措施减少转换层上、下楼层结构侧向刚度及承载力的变化。以保证满足抗风、抗震设计的要求.底部带转换层结构的薄弱层的地震剪力应乘以1.15的增大系数。
  (4)分析结果说明,框支梁大多数情况下为偏心受拉构件,并承受较大剪力,框支梁上墙体开有边洞时,形成小墙肢,此小墙肢的应力集中尤为突出.而边门洞部位框支梁应力急剧加大,在水平荷载作用下,上部有边门涧框支梁的弯矩约为上部无边门洞框支梁的弯矩的3倍,剪力也约为3倍,因此在设计时,除小墙肢外,边门洞部位的框支粱的抗剪能力也应加强,箍筋应加密配置,本工程设计时。采用梁端加腋的方式提高抗剪承载力,并加密箍筋。
  
  七、构件配筋
  1、框支梁大多数为偏心受拉构件,本工程设计框支梁上、下实际纵向配筋率分别为0.92%~1.43%不等,并保证至少大于50%的支座上部纵向钢筋沿梁全长拉通.箍筋配筋率最小达到1.2%,箍筋直径为14mm。
  2、框支柱在严格控制轴压比的情况下.柱内全部纵向钢筋配筋率分别为1.82%~2.35%不等,箍筋配筋率最小达到2.1%,箍筋直径为16mm,并采用井字复合箍沿柱高方向全高加密。
  
  八、结束语
  带转换层的高层建筑是未来房地产事业的一个总体趋势,实现带转换层高层建筑的结构设计综合性分析,能够有效的避免在设计中留下重大的安全隐患,这不仅是对广大人民群众的负责,同时也是我国设计单位提高自身能力的一个必经之路。但是也要明白转换层结构较为复杂且工程量又较大,因此设计人员首先应注重概念设计,这样一来可以少走弯路;其次通过上述计算和分析可以得知,此类建筑在平面布置上应尽可能的规则、对称,减少偏心,优化调整转换层上下结构的布置和刚度,使之接近是十分必要的;同时应注意框支梁、框支柱等构件的特殊性;最后也应考虑施丁难度大的因素,因此在设计时,尽量考虑施工的可行性。以达到最为合理的设计。
  
  参考文献:
  [1] 黃志勇:《论某高层建筑梁式转换层结构设计》,2009年06期
  [2] 疏桐:《高层建筑转换层结构设计探析》,2012年08期
  [3] 袁由冲:《高层建筑转换层结构设计探析》,2012年6期
  [4] 于颖:《高层建筑转换层结构设计分析》,2012年6期
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