建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)注意的問題

薛永良

【摘 要】隨著我國建筑行業(yè)的大力發(fā)展，建筑質(zhì)量受到越來越多的關(guān)注。針對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中常見的問題進行研究分析，并結(jié)合相關(guān)實例進一步說明建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中相關(guān)問題的解決措施，以期對讀者有所幫助。

【關(guān)鍵詞】建筑結(jié)構(gòu)；設(shè)計；轉(zhuǎn)換層

1.常見問題分析

1.1地基與基礎(chǔ)設(shè)計

在進行地基設(shè)計時，需要同時注意建筑基礎(chǔ)和建筑主體的作用，采取有效的措施加強上部結(jié)構(gòu)的強度和剛度，提高建筑物對地基變形的適應(yīng)能力。由于我國占地面積廣，地質(zhì)條件復(fù)雜，所以在進行地基設(shè)計時一定要參考地方性規(guī)范的內(nèi)容，以避免設(shè)計不當(dāng)造成整個結(jié)構(gòu)設(shè)計或后期設(shè)計工作的進行。同時，在設(shè)計中需要注意的是地基承載力的計算，對于水平荷載較大或者地形有坡度的建筑，地基處理之后需要進行穩(wěn)定性計算。并在地基處理之后，在施工期間需要對建筑物地基變形進行觀測，以確定地基加固效果和后期維護的數(shù)據(jù)依據(jù)。其中復(fù)合地基處理之后其承載力特征值需要進行試驗確定，以保證地基的承載效果。建筑基礎(chǔ)作為地基與建筑主體的連接部分，主要作用是將建筑物的荷載傳遞到基礎(chǔ)。一般情況下，建筑基礎(chǔ)的處理方法有剛性條形基礎(chǔ)、單獨樁基、十字交叉梁條形基礎(chǔ)、筏形基礎(chǔ)以及箱型基礎(chǔ)。其中在進行建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要根據(jù)工程的水文地質(zhì)條件、功能要求、建筑體型以及荷載大小分布狀況等選擇合理經(jīng)濟的基礎(chǔ)形式。

在樁基設(shè)計時需要注意樁的布置，力求使各樁頂部受到均勻荷載，并且在縱橫墻交叉處需要布置樁，對于橫墻較多的建筑結(jié)構(gòu)則可以在橫墻兩側(cè)的縱墻上布置樁，需要特別注意的是在門洞口下面不宜布樁；對于剪力墻結(jié)構(gòu)，在布樁的時候需要考慮剪力墻兩端應(yīng)力集中的問題，且在剪力墻中和軸附近的樁可以按受力情況均勻布置。對于粘性土、粉土等土質(zhì)，樁端進入持力層的深度不宜小于樁徑的2倍，砂土以及強風(fēng)化軟巖質(zhì)的土，其深度不宜小于樁徑的1.5倍，而對于碎石土等其深度適宜大于樁徑且不宜小于0.5m。當(dāng)建筑場地有液化土層時，樁身應(yīng)該穿過液化土層進入其以下的穩(wěn)定土層，對于碎石土、堅硬粘性土和密實粉土，進入深度需要大于等于0.5m，對于其他非巖石土需要大于1.5m。

1.2剪力墻設(shè)計

在進行剪力墻設(shè)計時需要注意的事項如下。

1.2.1剪力墻布置

剪力墻布置時需要注意盡量使整個建筑物的剛心和質(zhì)心趨于重合。常見的問題以及解決辦法如表1。

1.2.2剪力墻配筋

在進行配筋設(shè)計時，一般要求水平鋼筋放在墻體外側(cè)而豎向鋼筋放在墻體內(nèi)側(cè)，且滿足規(guī)范建議的最小配筋率。

表 1 常見的問題以及解決辦法

注：墻高厚比≤8時，為短墻，墻高厚比>8為普通強。

根據(jù)筆者經(jīng)驗，建議配筋數(shù)據(jù)為：加強區(qū)Φ10@200，非加強 區(qū)Φ8@200雙層雙向即可， 雙排鋼筋之間采用Φ6@600×600拉筋。對于地下部分的墻體則需要另外考慮，根據(jù)《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，迎水面保護層應(yīng)大于50mm，且在保護層內(nèi)增設(shè)雙向鋼筋網(wǎng)片。

1.2.3剪力墻構(gòu)造

按照相關(guān)規(guī)范規(guī)定，剪力墻應(yīng)該設(shè)置邊緣構(gòu)件，對于抗震等級為一、二級的建筑，剪力墻底部加強部位以及其上一層的墻肢端部應(yīng)設(shè)置約束邊緣構(gòu)件；其余剪力墻應(yīng)設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件。在剪力墻配筋計算中對于普通剪力墻來說，其暗柱配筋滿足規(guī)范要求的最小配筋率，建議加強部位0.7%，一般部位0.5%；對于短肢剪力墻，按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》 其配筋率加強區(qū) 1.2%，一般部位1.0%；對于受力性能較差的小墻肢，適宜按照框架柱進行截面設(shè)計，并控制其縱向鋼筋配筋率，建議加強部位1.2%，一般部位 1.0%。

1.3結(jié)構(gòu)計算與分析研究

在建筑結(jié)構(gòu)計算與分析的時候，需要結(jié)構(gòu)工程師注意以下問題：首先，如何選擇合適的計算軟件。目前，結(jié)構(gòu)設(shè)計比較常用的計算軟件有 SATWE、TAT、TBSA、ETABS、SAP等，對于不同的計算軟件其計算結(jié)果具有一定的差異，這就需要結(jié)構(gòu)工程師根據(jù)結(jié)構(gòu)的實際情況判斷適用的計算軟件計算可參考數(shù)據(jù)，保證結(jié)構(gòu)的合理以及安全性。其次，多塔之間振興參與系數(shù)計算。在分析計算該類建筑時，按照建筑塔樓之間的剛度差等不同情況將建筑作為整體計算或者分開計算，以保證計算結(jié)果能準(zhǔn)確顯示結(jié)構(gòu)狀況。最后，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計與計算。在建筑中往往會出現(xiàn)一些為了建筑美觀或者滿足功能要求的并不承重的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，在計算時組要充分考慮地震以及風(fēng)力等不確定因素的影響，嚴(yán)格按照規(guī)范進行計算。

1.4高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層作為將建筑上部樓層結(jié)構(gòu)的類型和布置轉(zhuǎn)換為下部樓層結(jié)構(gòu)類型和布置的水平結(jié)構(gòu)，主要的結(jié)構(gòu)形式一般有梁式轉(zhuǎn)換層、厚板式轉(zhuǎn)換層、桁架轉(zhuǎn)換層、箱型轉(zhuǎn)換層以及懸掛結(jié)構(gòu)等。在建筑設(shè)計過程中，如何選擇結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換體系，必須結(jié)合建筑各方面具體情況，保證結(jié)構(gòu)的安全與經(jīng)濟。在進行設(shè)計時需要注意如下方面。

1.4.1梁式轉(zhuǎn)換層

梁式轉(zhuǎn)換層對于開洞有著一定的限制，其開洞位置適宜設(shè)置在梁中部或者軸附近。轉(zhuǎn)換層大梁的截面尺寸一般由剪壓比計算確定，公式為：（μV=Vmax/fcbh0），且其截面高度在抗震設(shè)計時必須小于計算跨度的1/6，在非抗震設(shè)計中需要小于計算跨度的1/8。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)縱橫向都需要轉(zhuǎn)換時，還可以采取雙向梁布置的轉(zhuǎn)換方式來滿足要求。

1.4.2桁架轉(zhuǎn)換層

桁架轉(zhuǎn)換層形式的受力機理比較復(fù)雜，力學(xué)計算比較困難，同時在抗震設(shè)計上也存在著很多問題。在進行設(shè)計時需要注意當(dāng)轉(zhuǎn)換層位置較高時，位于轉(zhuǎn)換層附近的樓層之間側(cè)移會隨之變化，并影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力，使得轉(zhuǎn)換層附近的樓層成為結(jié)構(gòu)薄弱點；當(dāng)轉(zhuǎn)換層位置較低時，容易受到地震的影響，需要考慮桁架轉(zhuǎn)換層豎向抗震設(shè)計。

1.4.3箱型轉(zhuǎn)換層

箱型轉(zhuǎn)換層較少用于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，其平面內(nèi)剛度性能處于梁式轉(zhuǎn)換層和厚板轉(zhuǎn)換層之間，一般由單向或者雙向托梁連同其上下較厚的樓板組成箱型結(jié)構(gòu)，且上下樓板厚度不宜小于180mm。

2.實例列舉

2.1日本I.B.M大樓

I.B.M大樓共有41層，建筑高度達 156.3m，轉(zhuǎn)換層大梁主要支撐 24～41層的全部結(jié)構(gòu)，總荷載有10707t，轉(zhuǎn)換層大梁跨度有41.7m。且建筑東側(cè)立面有一個巨大的矩形孔洞從18層直接延伸到24層。在設(shè)計時為了盡量簡短應(yīng)力狀態(tài)，選擇以簡支的方式連接芯筒與大梁。大梁預(yù)應(yīng)力的施加分為兩次進行，保證大梁在全荷載作用下跨中撓度接近于零。選用兩端矩形過渡到中部為工字型的截面形狀，滿足跨度和荷載要求。

轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)體系中鋼結(jié)構(gòu)大梁的主要特征數(shù)據(jù)如表2。

2.2理論聯(lián)系實際—轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)體系的選擇

由此實例可以看出，由于建筑跨度和荷載的要求，在選擇轉(zhuǎn)換層體系上就會有不同的側(cè)重點。高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換體系設(shè)計時需要考慮的因素有豎向撓度、豎向荷載、層剛度比以及層間側(cè)移等。由于此大樓的跨度比較大，所以采用預(yù)應(yīng)力混凝土大梁并以簡支的方式連接支座以解決應(yīng)力復(fù)雜的問題。

表 2 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)體系中鋼結(jié)構(gòu)大梁的主要特征數(shù)據(jù)

3.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計理念分析

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中有很多設(shè)計理念作為設(shè)計依據(jù)，本文就建筑抗震理念進行分析。由于地震具有不確定性、隨機性，因此并不能準(zhǔn)確預(yù)測建筑物遭受地震的參數(shù)和特性。分析建筑在地震過程中的相互作用，在結(jié)構(gòu)分析方面需要充分考慮建筑的空間作用、阻尼變化、材料時效以及非彈性性質(zhì)等因素，在設(shè)計時，既注意總體布置上的大原則，又顧及到關(guān)鍵部位的細節(jié)構(gòu)造，從根本上提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。因此，提出強柱弱梁的概念。在設(shè)計時，需要嚴(yán)格控制柱軸壓比，在任何情況均不宜超過 0.9%。建議布置全柱加密箍筋，且配筋率不宜小于1%的加強角柱；框架柱柱筋品種不宜過多，且對于矩形截面柱，應(yīng)盡力對稱配筋，以保證在地震作用下形成梁鉸機制，防止柱比梁先破壞。保證建筑小震不壞，中震可修，大震不倒。

4.結(jié)語

隨著建筑行業(yè)的大力發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)由于建筑功能的需求也發(fā)生各種改變，在實際的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中往往需要某幾種建筑材料混合才能滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求。在結(jié)構(gòu)設(shè)計分析階段，應(yīng)該盡量按照規(guī)范要求對結(jié)構(gòu)進行內(nèi)力分析以及結(jié)構(gòu)計算，保證工程設(shè)計質(zhì)量。不管是框架結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)還是框剪結(jié)構(gòu)，在設(shè)計的時候都要保證結(jié)構(gòu)有足夠的剛度、抗震性。

【參考文獻】

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