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摘要:近年来,高层建筑迅猛发展,并向着体型复杂、功能多样和内部空间多变的综合性方向发展。转换层结构工程已成為现代 高层建筑结构发展的趋向之一。本文介绍了高层建筑结构转换层的发展趋势,并对梁式转换层结构设计进行了分析。
关键词:高层建筑转换层梁式转换层;结构设计
中图分类号: TU97 文献标识码: A 文章编号:
1高层建筑结构转换层的发展趋势 带转换层高层建筑结构的发展趋势主要 体现在以下几个方面:
钢骨混凝土转换层的应用。钢骨混凝土梁 不仅承载力高,刚度好,可大大减小截面尺寸, 且塑性、耐久性和抗震性能优于钢筋混凝土 梁。此外,钢骨混凝土梁在施工阶段其自身刚 度好,定位准确,可减少支模,加快施工速度。 目前,国内采用钢骨混凝土转换构件的实际工 程还不多,但国外采用则较多。
预应力混凝土转换层的应用。采用预应力技术可带来许多结构和施工上的优点,如减小 截面尺寸、控制裂缝和挠度,控制施工阶段的 裂缝及减轻支撑负担等等。因此,预应力混凝 土结构非常适合于建造承重荷载的大跨度转 换层,且有自重轻,节省钢材和混凝土。
新型转换结构的应用。由多个单层析架空 腹彬架、混合空腹析架等叠合组成的结构形 成"叠层析架结构",由多根截面尺寸较大的弦 杆梁共同承担上部竖向荷载的工作机制,设置 斜腹杆改变了竖向荷载的传力方向和位置,起 卸载作用,类似于拱传力。
2转换层的主要结构形式以及设计原则
2.1转换层的主要结构形式 目前在工程中应用转换层的主要结构形 式有梁式、厚板、箱形、巨型框架等。我国高层 建筑中,仅带转换层的建筑有几百栋之多。其中梁式转换层的建筑约占75%,板式转换约占 12%。
梁式转换层设计和施工简单,受力明确, 转换梁可沿纵向或横向平行布置当需要纵、横 向同时转换时,可采用双向梁的布置,一般广泛应用于底部大空间剪力墙结构体系中。2.2 转换层设计原则
2.2.1转换层的竖向布置 转换结构可根据其建筑功能和结构传力 的需要,沿高层建筑高度方向一处或多处灵活布置也可根据建筑功能的要求,在楼层局部布 置转换层,且自身的这个空间既可作为正常使用楼层,也可作技术设备层,但应保证转换层 有足够的刚度,以防止沿竖向刚度过于悬殊对 大底盘多塔楼的商住建筑,塔楼的转换层宜设 置在裙房的屋面层,并加大屋面梁、板尺寸和 厚度,以避免中间出现刚度特别小的楼层,减 小震害。对部分框支剪力墙高层建筑结构,其转换层的位置,7度区不宜超过第5层,8度区 不宜超过第3层。转换层位置超过上述规定 时,应作专门研究并采取有效措施。
2.2.2 转换层的结构布置 研究得出,底部转换层位置越高,转换层 上、下刚度突变越大,转换层上、下内力传递途 径的突变就越加剧;此外,转换层位置越高,落 地剪力墙或简体易出现受弯裂缝,从而使框支 柱的内力增大,转换层上部附近的墙体易于破 坏。总之,转换层位置越高对抗震越不利。
底部带转换层结构,转换层上部的部分竖向构件不能直接连续贯通落地,因此,必须设 置安全可靠的转换构件。按现有的工程经验和 研究结果,转换构件可采用转换大梁、斜撑、箱 形结构以及厚板等形式。由于转换厚板在地震区使用经验较少,可在非地震区和6度抗震设 计时采用,对于大空间地下室,因周围有约束作用,地震反应小于地面以上的框支结构,故 7,8度抗震设计时的地下室可采用厚板转换 层。
2.2.3转换层的抗震设计
带转换层的高层建筑结构中,由于设置了 转换层沿建筑物高度方向刚度的均匀性受到 很大的破坏,转换层结构竖向承载力构件不连 续和墙、柱截面的突变,导致传力路线曲折、变 形集中和应力集中,因此转换结构的抗震性能较差。
为保证设计的安全性,规定部分框支剪力墙结构转换层的位置设置在3层以上时,其框 支柱、剪力墙底部加强部位的抗震等级宜按高规规定提高一级采用,己经为特一级时不再提 高,提高其抗震构造措施,而对于底部带转换层的框架一核心简结构和外围为密柱框架的 简中简结构的抗震等级不必提高。对转换层的转换构件水平地震作用的计算内力需调整增 大;8度抗震设计时,还应考虑竖向地震作用的 影响。
3梁式转换层结构的设计与构造要求
由框支主梁承托转换次梁及次梁上的剪刀墙,其传力途径多次转换,受力复杂。框支主 梁除承受其上部剪力墙的作用外,还需要承受 梁传给的剪力,扭矩和弯矩,框支主梁易受剪 破坏。对于有抗震设防要求的建筑,为了改善 结构的受力性能,提高其抗震能力,在进行结 构平面布置时,可以将一部分剪力墙落地,并 贯通至基础,做成落地剪力墙与框支墙与剪力 墙协同工作的受力体系。
转换梁的设计与构造要求
转换梁的截面尺寸一般宜由剪压比计算 确定,以避免脆性破坏和具有合适的含箍率。 转换梁不宜开洞,若需要开洞,洞口宜位于梁 中和轴附近。洞口上、下弦杆必须采取加强措 施,箍筋要加密,以增强其抗剪能力。上、下弦 杆箍筋计算时宜将剪力设计值乘放大系数 1.2。当洞口内力较大时,可采用型钢构件来加 强。
转换梁的混凝土强度等级不应低于C30。 转换梁上、下主筋的最小配筋率非抗震设计时不应小于0.3%,转换梁中主筋宜采用机械连接(同一连接区段内接头钢筋面接不宜超过全部纵筋面积的50%),转换梁上部主筋至少应有50%沿梁全长贯通,下部主筋 应全部贯通伸入柱内。
框支柱的设计与构造要求
框支柱截面尺寸一般系由其轴压比计算 确定。地震作用下框支柱内力需调整:抗震 设计时,框支柱的柱顶弯矩应乘以放大系数, 并按放大后的弯矩设计值进行配筋;剪力调 整:框支柱承受的地震剪力标准值应按下列规 定采用:框支柱的数目不多于10根时,当框支 层为1-2层时,每层第根柱承受的剪力应至少 取基底剪力的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% ;框支柱的数目多于10根时,当框支 层为1-2层时,每层每根柱承受的剪力之和应 取基底剪力的20% ;当框支层为3层及3层以 上时,每层框支柱承受剪力之和应取基底剪力 的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,框支柱轴力 可不调整。
框支柱全部纵向钢筋配筋率,抗震等级一 级时不小于1.2%, 二级时不小于1.0%,三级时 不小于0.9%、四级及非抗震设计时不小于 0.8%。纵向钢筋间距抗震设计时不大于 200mm,且不小于80mm,全部纵向钢筋配筋率 不宜大于4%。
3.3转换梁的截面设计方法 目前国内结构设计工作普遍采用的转换 梁截面设计方法主要有:
应力截面设计方法。对转换梁进行有限元 分析得到的结果是应力及其分布规律,为能直 接应用转换梁有限元法分析后的应力大小及 其分布规律进行截面的配筋计算,假定不考虑 混凝土的抗拉作用,所有拉力由钢筋承担钢筋 达到其屈服强度设计值。受压区混凝土的强度 达到轴心抗压强度设计值。
托墙形式转换梁截面设计。当转换梁承托 上部墙体满跨不开洞时,转换梁与上部墙体共 同工作,其受力特征与破坏形态表现为深梁, 此时转换梁截面设计方法宜采用深梁截面设 计方法或应力截面设计方法,且计算出的纵向 钢筋应沿全梁高适当分布配置。由于此时转换 梁跨中较大范围内的内力比较大,故底部纵向 钢筋不宜截断和弯起,应全部伸入支座。当转 换梁承托上部墙体为小墙肢时,转换梁基本上 可按普通梁的截面设计方法进行配筋计算,纵 向钢筋可按普通梁集中布置在转换梁的底部。
参考文献
(1)刘大海.高层建筑结构方案优选.中国建筑工 业出版社.1996.
(2)唐兴荣.高层建筑转换层结构设计与施工.中 国建筑工业出版社.2002.
(3)梁炯丰.高层建筑转换层结构的概况和发展. 山西建筑.2006.
关键词:高层建筑转换层梁式转换层;结构设计
中图分类号: TU97 文献标识码: A 文章编号:
1高层建筑结构转换层的发展趋势 带转换层高层建筑结构的发展趋势主要 体现在以下几个方面:
钢骨混凝土转换层的应用。钢骨混凝土梁 不仅承载力高,刚度好,可大大减小截面尺寸, 且塑性、耐久性和抗震性能优于钢筋混凝土 梁。此外,钢骨混凝土梁在施工阶段其自身刚 度好,定位准确,可减少支模,加快施工速度。 目前,国内采用钢骨混凝土转换构件的实际工 程还不多,但国外采用则较多。
预应力混凝土转换层的应用。采用预应力技术可带来许多结构和施工上的优点,如减小 截面尺寸、控制裂缝和挠度,控制施工阶段的 裂缝及减轻支撑负担等等。因此,预应力混凝 土结构非常适合于建造承重荷载的大跨度转 换层,且有自重轻,节省钢材和混凝土。
新型转换结构的应用。由多个单层析架空 腹彬架、混合空腹析架等叠合组成的结构形 成"叠层析架结构",由多根截面尺寸较大的弦 杆梁共同承担上部竖向荷载的工作机制,设置 斜腹杆改变了竖向荷载的传力方向和位置,起 卸载作用,类似于拱传力。
2转换层的主要结构形式以及设计原则
2.1转换层的主要结构形式 目前在工程中应用转换层的主要结构形 式有梁式、厚板、箱形、巨型框架等。我国高层 建筑中,仅带转换层的建筑有几百栋之多。其中梁式转换层的建筑约占75%,板式转换约占 12%。
梁式转换层设计和施工简单,受力明确, 转换梁可沿纵向或横向平行布置当需要纵、横 向同时转换时,可采用双向梁的布置,一般广泛应用于底部大空间剪力墙结构体系中。2.2 转换层设计原则
2.2.1转换层的竖向布置 转换结构可根据其建筑功能和结构传力 的需要,沿高层建筑高度方向一处或多处灵活布置也可根据建筑功能的要求,在楼层局部布 置转换层,且自身的这个空间既可作为正常使用楼层,也可作技术设备层,但应保证转换层 有足够的刚度,以防止沿竖向刚度过于悬殊对 大底盘多塔楼的商住建筑,塔楼的转换层宜设 置在裙房的屋面层,并加大屋面梁、板尺寸和 厚度,以避免中间出现刚度特别小的楼层,减 小震害。对部分框支剪力墙高层建筑结构,其转换层的位置,7度区不宜超过第5层,8度区 不宜超过第3层。转换层位置超过上述规定 时,应作专门研究并采取有效措施。
2.2.2 转换层的结构布置 研究得出,底部转换层位置越高,转换层 上、下刚度突变越大,转换层上、下内力传递途 径的突变就越加剧;此外,转换层位置越高,落 地剪力墙或简体易出现受弯裂缝,从而使框支 柱的内力增大,转换层上部附近的墙体易于破 坏。总之,转换层位置越高对抗震越不利。
底部带转换层结构,转换层上部的部分竖向构件不能直接连续贯通落地,因此,必须设 置安全可靠的转换构件。按现有的工程经验和 研究结果,转换构件可采用转换大梁、斜撑、箱 形结构以及厚板等形式。由于转换厚板在地震区使用经验较少,可在非地震区和6度抗震设 计时采用,对于大空间地下室,因周围有约束作用,地震反应小于地面以上的框支结构,故 7,8度抗震设计时的地下室可采用厚板转换 层。
2.2.3转换层的抗震设计
带转换层的高层建筑结构中,由于设置了 转换层沿建筑物高度方向刚度的均匀性受到 很大的破坏,转换层结构竖向承载力构件不连 续和墙、柱截面的突变,导致传力路线曲折、变 形集中和应力集中,因此转换结构的抗震性能较差。
为保证设计的安全性,规定部分框支剪力墙结构转换层的位置设置在3层以上时,其框 支柱、剪力墙底部加强部位的抗震等级宜按高规规定提高一级采用,己经为特一级时不再提 高,提高其抗震构造措施,而对于底部带转换层的框架一核心简结构和外围为密柱框架的 简中简结构的抗震等级不必提高。对转换层的转换构件水平地震作用的计算内力需调整增 大;8度抗震设计时,还应考虑竖向地震作用的 影响。
3梁式转换层结构的设计与构造要求
由框支主梁承托转换次梁及次梁上的剪刀墙,其传力途径多次转换,受力复杂。框支主 梁除承受其上部剪力墙的作用外,还需要承受 梁传给的剪力,扭矩和弯矩,框支主梁易受剪 破坏。对于有抗震设防要求的建筑,为了改善 结构的受力性能,提高其抗震能力,在进行结 构平面布置时,可以将一部分剪力墙落地,并 贯通至基础,做成落地剪力墙与框支墙与剪力 墙协同工作的受力体系。
转换梁的设计与构造要求
转换梁的截面尺寸一般宜由剪压比计算 确定,以避免脆性破坏和具有合适的含箍率。 转换梁不宜开洞,若需要开洞,洞口宜位于梁 中和轴附近。洞口上、下弦杆必须采取加强措 施,箍筋要加密,以增强其抗剪能力。上、下弦 杆箍筋计算时宜将剪力设计值乘放大系数 1.2。当洞口内力较大时,可采用型钢构件来加 强。
转换梁的混凝土强度等级不应低于C30。 转换梁上、下主筋的最小配筋率非抗震设计时不应小于0.3%,转换梁中主筋宜采用机械连接(同一连接区段内接头钢筋面接不宜超过全部纵筋面积的50%),转换梁上部主筋至少应有50%沿梁全长贯通,下部主筋 应全部贯通伸入柱内。
框支柱的设计与构造要求
框支柱截面尺寸一般系由其轴压比计算 确定。地震作用下框支柱内力需调整:抗震 设计时,框支柱的柱顶弯矩应乘以放大系数, 并按放大后的弯矩设计值进行配筋;剪力调 整:框支柱承受的地震剪力标准值应按下列规 定采用:框支柱的数目不多于10根时,当框支 层为1-2层时,每层第根柱承受的剪力应至少 取基底剪力的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% ;框支柱的数目多于10根时,当框支 层为1-2层时,每层每根柱承受的剪力之和应 取基底剪力的20% ;当框支层为3层及3层以 上时,每层框支柱承受剪力之和应取基底剪力 的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,框支柱轴力 可不调整。
框支柱全部纵向钢筋配筋率,抗震等级一 级时不小于1.2%, 二级时不小于1.0%,三级时 不小于0.9%、四级及非抗震设计时不小于 0.8%。纵向钢筋间距抗震设计时不大于 200mm,且不小于80mm,全部纵向钢筋配筋率 不宜大于4%。
3.3转换梁的截面设计方法 目前国内结构设计工作普遍采用的转换 梁截面设计方法主要有:
应力截面设计方法。对转换梁进行有限元 分析得到的结果是应力及其分布规律,为能直 接应用转换梁有限元法分析后的应力大小及 其分布规律进行截面的配筋计算,假定不考虑 混凝土的抗拉作用,所有拉力由钢筋承担钢筋 达到其屈服强度设计值。受压区混凝土的强度 达到轴心抗压强度设计值。
托墙形式转换梁截面设计。当转换梁承托 上部墙体满跨不开洞时,转换梁与上部墙体共 同工作,其受力特征与破坏形态表现为深梁, 此时转换梁截面设计方法宜采用深梁截面设 计方法或应力截面设计方法,且计算出的纵向 钢筋应沿全梁高适当分布配置。由于此时转换 梁跨中较大范围内的内力比较大,故底部纵向 钢筋不宜截断和弯起,应全部伸入支座。当转 换梁承托上部墙体为小墙肢时,转换梁基本上 可按普通梁的截面设计方法进行配筋计算,纵 向钢筋可按普通梁集中布置在转换梁的底部。
参考文献
(1)刘大海.高层建筑结构方案优选.中国建筑工 业出版社.1996.
(2)唐兴荣.高层建筑转换层结构设计与施工.中 国建筑工业出版社.2002.
(3)梁炯丰.高层建筑转换层结构的概况和发展. 山西建筑.2006.