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摘要:梁式转换层结构是目前高层建筑中使用最多的转换层结构形式,文章结合工程实例,探讨了梁式转换层结构的设计要点,以及构件设计。
关键词:高层建筑;梁式转换层;框支柱设计
中图分类号:TU973文献标识码:A
文章编号:1009-2374 (2010)28-0145-02
近年来,随着城市建设的日新月异,各种功能多样化、综合化、全面化的,体型复杂化的高层建筑成为发展趋向。梁式转换层结构以其施工方便、传力直接、明确和清楚等优点,已作为实现垂直转换的结构形式在高层建筑中被广泛应用。
1梁式转换层结构的设计
1.1框支柱的设计
有地震组合时,一级、二级框支柱承受的地震作用产生的轴力设计计算值分别乘以1.50,1.25的调整放大系数;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;而当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%。
1.2框支梁的设计
框支梁截面尺寸一般由剪压比控制,宽度要大于其上墙厚的2倍,且大于400mm;高度大于计算跨度的1/6。工程框支梁梁宽统一定为800mm。框支梁受力巨大且受力情况复杂,它不但是上下层荷载的传输枢纽,也是保证框支剪力墙抗震性能的关键部位,是一个复杂而重要的受力构件,因而在设计时应留有较多的安全储备,二级抗震等级的框支梁纵筋配筋率大于0.4%。框支梁在满足计算要求下,配筋率大于0.8%。框支梁一般为偏心受拉构件,梁中有轴力存在,因而应配置足够数量的腰筋。
1.3转换层楼板的设计
框支剪力墙结构以转换层为分界,上下两部分的内力分布规律是不同的。在下部楼层由于框支柱与落地剪力墙间的刚度差异,水平剪力主要集中在落地剪力墙上,即在转换层处荷载分配产生突变;而在上部楼层,外荷载产生的水平力大体上按各片剪力墙的等效刚度比例分配。转换层楼板承担着完成上下部分剪力重分配的任务;由于转换层楼板自身平面内受力很大,而变形也很大,所以转换层楼板必须有足够的刚度作保证。
2设计实例
2.1工程概况
某综合大厦,总建筑面积为28000m2,地下室1层,地上22层。其中1～4层为商业楼层,1层层高是5.1m,2～4层层高均是4.2m,5～22层为住宅,层高均为3m。 4层设置结构转换层兼设备层,转换层以上为住宅楼(纯剪力墙结构),以下为框架—剪力墙结构。该建筑位于六度抗震区,建筑场地为Ⅱ类。
本工程采用中国建筑科学研究院PKPM-SATWE程序进行结构设计和受力分析。
2.2梁式转换层结构的设计要点
2.2.1结构平面布局为了提高其抗震能力,改善结构的受力性能,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,在对有抗震设防要求的建筑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,做成框支墙与落地剪力墙协同工作的受力体系。
該工程上部为纯剪力墙结构,底部为体型规则、简单的框架——剪力墙结构。
南北向刚度中心与质量中心偏差不超过2米,东西向完全对称,为了增强抗扭效果,除核心筒外的其余剪力墙应尽量沿周边均匀、分散布置。
2.2.2结构竖向布置高层建筑的竖向体型宜规则、均匀,避免有过大的外挑和内收,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;也可以按照建筑功能需要,在楼层局部布置转换层。对于框支剪力墙结构高层建筑7度区不宜在第五层以上设置转换层,8度区不宜在第三层以上设置转换层。抗震设计的高层建筑结构,其楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的70%或其上相邻三层侧向刚度平均值的80%。
该工程的竖向布置设计遵循“强化下部,弱化上部”的原则。尽量减少转换层上部剪力墙数目,控制剪力墙厚度。转换层以下剪力墙中,核心筒部分的厚度取为400mm,其余部分的厚度取为350mm。为了增强底部刚度,在底部增设部分剪力墙,且还要让核心筒两侧各有一片剪力墙落地。可选用C50混凝土,以提高底部柱、墙混凝土强度等级。
2.2.3抗震等级的确定抗震等级是根据建筑物设防烈度和建筑物使用功能的重要性确定的,根据《建筑抗震设防分类标准》(GB50223)的规定,建筑工程分为四个抗震设防类别:特殊设防类(甲类)、重点设防类(乙类)、标准设防类(丙类)、适度设防类(丁类)。当剪力墙转换层结构设置在三层以上时,为了保证设计的安全性,框支柱、剪力墙底部加强部位的抗震等级应提高一级。另外,在8度抗震设计时,还应考虑竖向地震作用的影响。
按照现行规范,结合该工程的结构特点,该工程各部位的抗震等级设计见表1:
表1抗震等级的设计
构件名称 梁、柱 剪力墙
框支梁、框支柱及1-6层与框支柱相连的框架梁 地下二层梁、柱 裙房及地下一层框架梁、柱 地下二层 底部加强部位 非底部加强部位
转换层以上两层以下 转换层以上两层以上
抗震等级 特一级 三级 一级 三级 特一级 一级 二级
2.3转换层结构构件设计
2.3.1框支柱的设计框支柱的设计轴压比控制着框支柱截面尺寸,而且还满足剪压比要求。高层建筑结构抗震设计时,框支柱的柱顶弯矩应乘以放大系数,其配筋应按放大后的弯矩设计值进行。另外,框支柱承受的地震剪力标准值如下:框支柱大于十根时,如果框支层为一至二层时,每层每根柱承受的剪力之和就取基底剪力的20%;如果框支层在三层及三层以上时,每层框支柱承受剪力之和则取基底剪力的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;而框支柱在十根及十根及十根以下时,如果框支层为一至二层时,每层第根柱承受的剪力至少取基底剪力的2%;如果框支层是有三层及三层以上时,各层每根柱所受的剪力则至少取基底剪力的3%。
本工程的框支柱抗震等级为一级,轴压比≤0.6,对部分因截面尺寸较大而形成的“短柱”要≤0.55。抗震等级为一级、二级的框支柱承受地震作用产生的轴力设计计算值分别乘以1.50、1.25的调整放大系数。钢筋配筋率方面,抗震等级为一级的≥1.2%,二级≥1.0%,三级时≥0.9%。本工程根据SETWE软件计算,最后采用柱截面为1.1m×(1.1～1.4)m不等。
另外,为了加强转换层上下连接,框支柱上部墙体范围内的纵筋应伸人上部墙体内一层;其余在墙体范围外的纵筋则水平锚人转换层梁板内,满足锚固要求 LaE。
2.3.2框支梁的设计为保证转换梁结构的整体刚度,增强结构的可靠性。在《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》(JGJ3-91)中对转换梁的最小高度和宽度作如下规定:框支梁截面的宽度要小于框支柱相应方向的截面宽度,宽度要大于其上墙厚的2倍,且大于400mm;当梁上托柱时,则要大于粱宽方向的柱截面宽度。进行抗震设计时,高度大于计算跨度的1/6;非抗震设计时,转换梁高应大于跨度的 1/8。
框支梁不但是上下层荷载的传输枢纽,也是保证框支剪力墙抗震性能的关键部位,是一个复杂而重要的受力构件。因而,在设计时应适当加大配筋率。一级抗震等级的框支梁纵筋配筋率要>0.6%,二级抗震等级的框支梁纵筋配筋率要>0.4%。本工程框支梁在满足计算要求的情况下,纵筋配筋率不应小于0.8%。框支梁一般为偏心受拉构件,梁中有轴力存在,应配置足够数量的腰筋,即采用φ16腰筋,沿梁高间距<200mm,并且可以锚入支座内。由于框支梁受剪很大,为满足“强剪弱弯”原则 ,需加强箍筋设置,箍筋采用φ14@100的8肢箍全长加密,配箍率达到1.53%,
2.3.3转换层楼板厚度确定转换层楼板是主要要传力构件,承担着完成上下部分剪力重分配的任务。因此在设计时,对框支层楼板应进行截面尺寸的控制,并应进行抗剪截面验算、楼板平面内受弯承载力验算以及构造配筋要求,本工程转换层采用C50混凝土,楼板厚度取值为200mm;实际配筋为φ12×150双层双向,楼板中钢筋锚固在边梁或墙体内,与转换层相邻楼层的楼板也适当加强,板厚采用150mm,以协助转换层楼板完成剪力重分配。
3结语
随着人们对高层建筑的功能要求趋向于多样化、综合化和全面化。梁式转换层结构以其传力直接、明确和清楚的优点,在目前高层建筑中被广泛使用。设计人员要注重概念设计,并在设计过程中通过查阅数据,反复比较调整,以得到最为合理的设计。
参考文献
[1] 陈敏明.浅析高层建筑梁式转换层设计施工研究[J].广东建材,2010,(1).
[2] 刘丽春,易义东.浅谈梁式转换层结构的设计与构造要求[J].中国新技术新产品,2009,(13).
[3] 郑黄鹤.浅析高层建筑梁式转换层结构设计的要点[J].中国建设信息,2010,(2).
关键词:高层建筑;梁式转换层;框支柱设计
中图分类号:TU973文献标识码:A
文章编号:1009-2374 (2010)28-0145-02
近年来,随着城市建设的日新月异,各种功能多样化、综合化、全面化的,体型复杂化的高层建筑成为发展趋向。梁式转换层结构以其施工方便、传力直接、明确和清楚等优点,已作为实现垂直转换的结构形式在高层建筑中被广泛应用。
1梁式转换层结构的设计
1.1框支柱的设计
有地震组合时,一级、二级框支柱承受的地震作用产生的轴力设计计算值分别乘以1.50,1.25的调整放大系数;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;而当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%。
1.2框支梁的设计
框支梁截面尺寸一般由剪压比控制,宽度要大于其上墙厚的2倍,且大于400mm;高度大于计算跨度的1/6。工程框支梁梁宽统一定为800mm。框支梁受力巨大且受力情况复杂,它不但是上下层荷载的传输枢纽,也是保证框支剪力墙抗震性能的关键部位,是一个复杂而重要的受力构件,因而在设计时应留有较多的安全储备,二级抗震等级的框支梁纵筋配筋率大于0.4%。框支梁在满足计算要求下,配筋率大于0.8%。框支梁一般为偏心受拉构件,梁中有轴力存在,因而应配置足够数量的腰筋。
1.3转换层楼板的设计
框支剪力墙结构以转换层为分界,上下两部分的内力分布规律是不同的。在下部楼层由于框支柱与落地剪力墙间的刚度差异,水平剪力主要集中在落地剪力墙上,即在转换层处荷载分配产生突变;而在上部楼层,外荷载产生的水平力大体上按各片剪力墙的等效刚度比例分配。转换层楼板承担着完成上下部分剪力重分配的任务;由于转换层楼板自身平面内受力很大,而变形也很大,所以转换层楼板必须有足够的刚度作保证。
2设计实例
2.1工程概况
某综合大厦,总建筑面积为28000m2,地下室1层,地上22层。其中1～4层为商业楼层,1层层高是5.1m,2～4层层高均是4.2m,5～22层为住宅,层高均为3m。 4层设置结构转换层兼设备层,转换层以上为住宅楼(纯剪力墙结构),以下为框架—剪力墙结构。该建筑位于六度抗震区,建筑场地为Ⅱ类。
本工程采用中国建筑科学研究院PKPM-SATWE程序进行结构设计和受力分析。
2.2梁式转换层结构的设计要点
2.2.1结构平面布局为了提高其抗震能力,改善结构的受力性能,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,在对有抗震设防要求的建筑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,做成框支墙与落地剪力墙协同工作的受力体系。
該工程上部为纯剪力墙结构,底部为体型规则、简单的框架——剪力墙结构。
南北向刚度中心与质量中心偏差不超过2米,东西向完全对称,为了增强抗扭效果,除核心筒外的其余剪力墙应尽量沿周边均匀、分散布置。
2.2.2结构竖向布置高层建筑的竖向体型宜规则、均匀,避免有过大的外挑和内收,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;也可以按照建筑功能需要,在楼层局部布置转换层。对于框支剪力墙结构高层建筑7度区不宜在第五层以上设置转换层,8度区不宜在第三层以上设置转换层。抗震设计的高层建筑结构,其楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的70%或其上相邻三层侧向刚度平均值的80%。
该工程的竖向布置设计遵循“强化下部,弱化上部”的原则。尽量减少转换层上部剪力墙数目,控制剪力墙厚度。转换层以下剪力墙中,核心筒部分的厚度取为400mm,其余部分的厚度取为350mm。为了增强底部刚度,在底部增设部分剪力墙,且还要让核心筒两侧各有一片剪力墙落地。可选用C50混凝土,以提高底部柱、墙混凝土强度等级。
2.2.3抗震等级的确定抗震等级是根据建筑物设防烈度和建筑物使用功能的重要性确定的,根据《建筑抗震设防分类标准》(GB50223)的规定,建筑工程分为四个抗震设防类别:特殊设防类(甲类)、重点设防类(乙类)、标准设防类(丙类)、适度设防类(丁类)。当剪力墙转换层结构设置在三层以上时,为了保证设计的安全性,框支柱、剪力墙底部加强部位的抗震等级应提高一级。另外,在8度抗震设计时,还应考虑竖向地震作用的影响。
按照现行规范,结合该工程的结构特点,该工程各部位的抗震等级设计见表1:
表1抗震等级的设计
构件名称 梁、柱 剪力墙
框支梁、框支柱及1-6层与框支柱相连的框架梁 地下二层梁、柱 裙房及地下一层框架梁、柱 地下二层 底部加强部位 非底部加强部位
转换层以上两层以下 转换层以上两层以上
抗震等级 特一级 三级 一级 三级 特一级 一级 二级
2.3转换层结构构件设计
2.3.1框支柱的设计框支柱的设计轴压比控制着框支柱截面尺寸,而且还满足剪压比要求。高层建筑结构抗震设计时,框支柱的柱顶弯矩应乘以放大系数,其配筋应按放大后的弯矩设计值进行。另外,框支柱承受的地震剪力标准值如下:框支柱大于十根时,如果框支层为一至二层时,每层每根柱承受的剪力之和就取基底剪力的20%;如果框支层在三层及三层以上时,每层框支柱承受剪力之和则取基底剪力的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;而框支柱在十根及十根及十根以下时,如果框支层为一至二层时,每层第根柱承受的剪力至少取基底剪力的2%;如果框支层是有三层及三层以上时,各层每根柱所受的剪力则至少取基底剪力的3%。
本工程的框支柱抗震等级为一级,轴压比≤0.6,对部分因截面尺寸较大而形成的“短柱”要≤0.55。抗震等级为一级、二级的框支柱承受地震作用产生的轴力设计计算值分别乘以1.50、1.25的调整放大系数。钢筋配筋率方面,抗震等级为一级的≥1.2%,二级≥1.0%,三级时≥0.9%。本工程根据SETWE软件计算,最后采用柱截面为1.1m×(1.1～1.4)m不等。
另外,为了加强转换层上下连接,框支柱上部墙体范围内的纵筋应伸人上部墙体内一层;其余在墙体范围外的纵筋则水平锚人转换层梁板内,满足锚固要求 LaE。
2.3.2框支梁的设计为保证转换梁结构的整体刚度,增强结构的可靠性。在《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》(JGJ3-91)中对转换梁的最小高度和宽度作如下规定:框支梁截面的宽度要小于框支柱相应方向的截面宽度,宽度要大于其上墙厚的2倍,且大于400mm;当梁上托柱时,则要大于粱宽方向的柱截面宽度。进行抗震设计时,高度大于计算跨度的1/6;非抗震设计时,转换梁高应大于跨度的 1/8。
框支梁不但是上下层荷载的传输枢纽,也是保证框支剪力墙抗震性能的关键部位,是一个复杂而重要的受力构件。因而,在设计时应适当加大配筋率。一级抗震等级的框支梁纵筋配筋率要>0.6%,二级抗震等级的框支梁纵筋配筋率要>0.4%。本工程框支梁在满足计算要求的情况下,纵筋配筋率不应小于0.8%。框支梁一般为偏心受拉构件,梁中有轴力存在,应配置足够数量的腰筋,即采用φ16腰筋,沿梁高间距<200mm,并且可以锚入支座内。由于框支梁受剪很大,为满足“强剪弱弯”原则 ,需加强箍筋设置,箍筋采用φ14@100的8肢箍全长加密,配箍率达到1.53%,
2.3.3转换层楼板厚度确定转换层楼板是主要要传力构件,承担着完成上下部分剪力重分配的任务。因此在设计时,对框支层楼板应进行截面尺寸的控制,并应进行抗剪截面验算、楼板平面内受弯承载力验算以及构造配筋要求,本工程转换层采用C50混凝土,楼板厚度取值为200mm;实际配筋为φ12×150双层双向,楼板中钢筋锚固在边梁或墙体内,与转换层相邻楼层的楼板也适当加强,板厚采用150mm,以协助转换层楼板完成剪力重分配。
3结语
随着人们对高层建筑的功能要求趋向于多样化、综合化和全面化。梁式转换层结构以其传力直接、明确和清楚的优点,在目前高层建筑中被广泛使用。设计人员要注重概念设计,并在设计过程中通过查阅数据,反复比较调整,以得到最为合理的设计。
参考文献
[1] 陈敏明.浅析高层建筑梁式转换层设计施工研究[J].广东建材,2010,(1).
[2] 刘丽春,易义东.浅谈梁式转换层结构的设计与构造要求[J].中国新技术新产品,2009,(13).
[3] 郑黄鹤.浅析高层建筑梁式转换层结构设计的要点[J].中国建设信息,2010,(2).