摘 要:高層建筑轉(zhuǎn)換層設(shè)計中,梁式結(jié)構(gòu)和板式結(jié)構(gòu)是應(yīng)用較多的。文章對高層建筑梁、板式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計方法進行了研究,具有一定的借鑒意義。
關(guān)鍵詞:高層建筑;梁、板式結(jié)構(gòu);轉(zhuǎn)換層;設(shè)計
中圖分類號:TU2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1671-3362(2013)12-0062-02
前言
本文對高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)受力特點進行了介紹,對高層建筑梁、板式轉(zhuǎn)換層設(shè)計原則進行了闡述,通過分析,并結(jié)合自身實踐經(jīng)驗和相關(guān)理論知識,對高層建筑梁、板式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計要點進行探討。
1 高層建筑梁、板式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)受力點
通常含有轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的高層建筑的底部會設(shè)計大空間剪力墻,其中部分剪力墻為在底落地形式,也有的在底部為框的結(jié)構(gòu)形式,而此種結(jié)構(gòu)的受力點如下。
1.1 上部、下部剪力墻的受力關(guān)系
高層建筑中,以轉(zhuǎn)換層為界層的底部大空間剪力墻結(jié)構(gòu),其上半部分的所有剪力墻的變形曲線幾乎都一樣,幾乎是由水平外力產(chǎn)生的樓層剪力,再按各片剪力墻的等效剛度進行比例分配;而其下半部分因框支剪力墻的側(cè)向剛度迅速減小,從而引起底層框架承擔(dān)的水平力同樣急速變小,相反使落地剪力墻的底層承擔(dān)水平力得以急速增長。
1.2 高層建筑底層水平力的分配關(guān)系
高層建筑其底層的水平力的分配關(guān)系是通過轉(zhuǎn)換層樓板的剛度對內(nèi)力的傳遞作用而實現(xiàn)剪力的迅速改變。轉(zhuǎn)換層樓板在水平力的作用下順利的使上下樓層的剪力實現(xiàn)重新分配,但轉(zhuǎn)換層樓板本身同樣會在平面內(nèi)承受一個相當(dāng)大的力,這個力使樓板產(chǎn)生較為明顯的平面內(nèi)變形,從而影響了關(guān)于樓板平面剛度無限大的基本假定。
1.3 底層框支柱和落地剪力墻的受力轉(zhuǎn)換
當(dāng)?shù)讓涌蛑е吐涞丶袅Π吹刃偠葋矸峙渌搅r,由于框支柱的側(cè)向剛度通常不到剪力墻側(cè)向剛度的1%,所以在進行水平力分擔(dān)時,框支柱所能分擔(dān)的水平力是極其有限的,甚至可以忽略不計。但是如果當(dāng)轉(zhuǎn)換層樓板發(fā)生變形時,處在框支柱區(qū)域內(nèi)的底層的水平位移將會達(dá)到最大,從而使框支柱實際受到的剪力要比理論分析所得到的剪力大得多。由于轉(zhuǎn)換層上下附近的受力狀況相對是比較復(fù)雜的,同時又鑒于以上底層框支柱和落地剪力墻的受力特點分析,需要在工程設(shè)計時對落地剪力墻和框支柱留有一定的安全儲備。
2 高層建筑梁、板式轉(zhuǎn)換層設(shè)計原則
2.1 轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)平面布局原則
在建筑工程的底部大多采用體型規(guī)則并且簡單的剪力墻結(jié)構(gòu)作為框架,而工程上部則采用純剪力墻結(jié)構(gòu)。在剪力墻平面布置上,南北向剛度中心與質(zhì)量中心的結(jié)構(gòu)偏差不超過2m,東西則要完全對稱,這樣才能保證結(jié)構(gòu)偏心率做到最小。除核心筒外,其余剪力墻布置需要盡量沿周邊進行布置,做到分散切均勻,這樣能更好的增強建筑物的抗扭性。從研究得出,當(dāng)轉(zhuǎn)換層處于較高的位置,落地剪力墻和簡體會產(chǎn)生一定數(shù)量的受彎裂縫,直接導(dǎo)致框支柱的內(nèi)力增大,最終破壞轉(zhuǎn)換層上部附近的墻體。同時當(dāng)?shù)撞哭D(zhuǎn)換層位置越高,轉(zhuǎn)換層上下剛度突變會越大,同時加上內(nèi)力的傳遞,這種突變會越加劇。從而我們得出,一旦轉(zhuǎn)換層位置越高,建筑物的抗震效果是不夠理想的。
2.2 轉(zhuǎn)換層的豎向布置原則
高層建筑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的布置原則主要是根據(jù)建筑功能和結(jié)構(gòu)傳力的需要來進行安排的,不同的建筑風(fēng)格可以進行靈活布置,同時也可以更加建筑的功能性需求,在樓層局部來布置轉(zhuǎn)換層,保證轉(zhuǎn)換層有足夠的剛度,盡量縮小豎向剛度的差距,這樣做的優(yōu)勢是既可以作為正常樓層來使用,還可以作為技術(shù)設(shè)備層。結(jié)合商住建筑的工程實踐經(jīng)驗,通常對于大底盤多塔樓的建筑,需要對屋面梁的尺寸和厚度進行加大,同時塔樓的轉(zhuǎn)換層設(shè)在裙房的屋面層,能有效的增強樓層的剛度,達(dá)到減小震害的目的。對部分框支剪力墻高層建筑結(jié)構(gòu),其轉(zhuǎn)換層的位置,7度區(qū)不宜超過第5層,8度區(qū)不宜超過第3層。
2.3 轉(zhuǎn)換層的抗震設(shè)計要求
轉(zhuǎn)換層的抗震設(shè)計要求,放在首位的即為安全性能。根據(jù)安全規(guī)定,框支剪力墻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的位置大部分都設(shè)置在3層之上,同時對框支柱、剪力墻底部需要按照高級規(guī)定來加強各部位的抗震等級,提高建筑的抗震構(gòu)造的安全性。在進行8度抗震設(shè)計的考慮時,應(yīng)結(jié)合豎向地震作用的相關(guān)影響,對轉(zhuǎn)換層的轉(zhuǎn)換構(gòu)件水平地震作用的內(nèi)力計算需做增大處理。而對于底部帶轉(zhuǎn)換層的框架,其外圍為密柱框架的簡中簡結(jié)構(gòu)的抗震等級則不需要提高。
3 高層建筑梁、板式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計要點
3.1 梁、板式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則
3.1.1 避免多次轉(zhuǎn)換,實現(xiàn)直接傳力
在對高層建筑梁、板轉(zhuǎn)換層上下主體豎向結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時,最重要的是盡量減少或避免水平梁與轉(zhuǎn)換次粱之間在水平方向的多次、多級轉(zhuǎn)換,盡量實現(xiàn)傳力路徑最短化。比如,我們可以通過水平轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)來進行直接傳力,使不落地的剪力墻通過轉(zhuǎn)換托梁直接傳給豎向承重構(gòu)件,以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的合理布置。
3.1.2 弱化上部、確保底部
高層建筑的轉(zhuǎn)換層在空間設(shè)計要求上要達(dá)到一個合適的剛度、強度,以強化轉(zhuǎn)換層底部主體結(jié)構(gòu)的剛度,同時弱化了其上部結(jié)構(gòu),從而使轉(zhuǎn)換層上下部主體結(jié)構(gòu)的剛度更好的接近變形特征,達(dá)到規(guī)避薄弱層的目的,進而提高建筑物的延性和抗震力。
3.1.3 精確計算轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)
轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)作為建筑物整體結(jié)構(gòu)的重要組成部分,需要對轉(zhuǎn)換層進行精確計算。尤其是對建筑的三維整體空間結(jié)構(gòu)要進行全面的、準(zhǔn)確的、實時的受力變形計算。一般采用的方式是有限元方法,運用這種計算需要取2層結(jié)構(gòu)(選擇轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)以上位置)進入局部計算模型,還要對轉(zhuǎn)換層及所有樓層樓蓋平面內(nèi)的剛度進行測算,以及轉(zhuǎn)換層實際結(jié)構(gòu)三維空間的實際邊界進行正確計算。
3.2 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的構(gòu)件設(shè)計
轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)由于豎向結(jié)構(gòu)的剛度易突變,從而導(dǎo)致了豎向抗側(cè)力構(gòu)件產(chǎn)生不連續(xù)且容易使水平力在途徑的轉(zhuǎn)換層發(fā)生突變,尤其是遇到強震,在強震作用下,轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)更容易產(chǎn)生薄弱部位。因此在轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震設(shè)計中,需要對轉(zhuǎn)換層上下剛度比進行嚴(yán)格控制,同時還要采取相應(yīng)的措施,對轉(zhuǎn)換層及附近層結(jié)構(gòu)構(gòu)件包括轉(zhuǎn)換柱、轉(zhuǎn)換梁、落地墻、轉(zhuǎn)換層上下各兩層樓板等構(gòu)件進行強化加固,以保證水平剪力能實現(xiàn)有效的傳遞,確保結(jié)構(gòu)底層在強震下有足夠的延性。
3.3 轉(zhuǎn)換層分析計算
我們在轉(zhuǎn)換層分析計算時,要分析結(jié)合樓層平面內(nèi)剛度的影響,要采用符合現(xiàn)狀的正確計算模型(切切不能忽略轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的上下樓層的局部計算模型的計算)。最后,要采用有限元計算軟件對轉(zhuǎn)換層本身進行局部應(yīng)力的補充計算。通常,框支剪力墻的計算需要考慮的因素很多,由于上部剪力墻與多根柱是相連接的,因此相對是比較復(fù)雜的,處理不當(dāng)就會產(chǎn)生較大的計算誤差。針對底部框支剪力墻,值得注意的是,在計算時需要以柱單元來進行考慮,同時需要把上部剪力墻肢與下部轉(zhuǎn)換柱全部設(shè)為轉(zhuǎn)換梁。
3.4 轉(zhuǎn)換梁的截面設(shè)計方法
如果,我們所選擇的設(shè)計方法為托柱形式轉(zhuǎn)換梁的截面設(shè)計,那就需要按普通梁截面設(shè)計方法來進行配筋計算(一般要控制在轉(zhuǎn)換梁承托上部普通框架常用截面的尺寸范圍內(nèi))。一般來說,轉(zhuǎn)換梁的截面設(shè)計方法首先應(yīng)對轉(zhuǎn)換梁作出有限元分析,以此獲得相關(guān)的應(yīng)力分布規(guī)律及相關(guān)數(shù)據(jù),然后針對分布規(guī)律及相關(guān)數(shù)據(jù)計算出截面配筋,與此同時,在忽略混凝土的抗拉作用的前提下,直接應(yīng)用轉(zhuǎn)換梁有限元法分析方法對應(yīng)力大小做出計算,對由鋼筋承擔(dān)的受壓區(qū),當(dāng)然,混凝土的強度必需達(dá)到軸心抗壓強度設(shè)計值。
3.5 托墻形式轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計
如果所選擇的設(shè)計方法為轉(zhuǎn)換梁承托上部斜桿框架,這時轉(zhuǎn)換梁會受到一種軸向拉力,我們在設(shè)計時應(yīng)考慮到偏心受拉構(gòu)件,并以此進行截面設(shè)計。更具體地說,當(dāng)轉(zhuǎn)換梁承托上部墻體滿跨不開洞時,轉(zhuǎn)換梁和上部墻體會同一時間受力且同一時間作用,而這種同時受力同時作用的形態(tài)通常呈現(xiàn)一種深梁形式,此時轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計方法比較適宜采用應(yīng)力截面設(shè)計或深梁截面設(shè)計,以此得出縱向鋼筋應(yīng)沿全梁高合理分布配置。而采用應(yīng)力截面設(shè)計時,轉(zhuǎn)換梁跨中會受到一個大范圍的內(nèi)力,而此內(nèi)力至使其底部的縱向鋼筋不易彎起或截斷,需要全部進入支座中。假如轉(zhuǎn)換梁承托上部墻體為小墻肢設(shè)計時,轉(zhuǎn)換梁的配筋計算可以按普通截面設(shè)計方法進行,同時縱向鋼筋也可按普通梁集中布置在轉(zhuǎn)換梁的底部。
4 結(jié)語
綜上所述,高層建筑梁、板式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計需要考慮到的細(xì)節(jié)是多方面的,需要建筑結(jié)構(gòu)中的每個環(huán)節(jié)進行配合,因此是一個非常龐大且復(fù)雜的工程。建筑梁、板式轉(zhuǎn)換層的設(shè)計也對建筑工程師提出了較高的要求,需要工程師在設(shè)計時從建筑全局來進行把控,切不可顧此失彼。
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