王武君
摘要:隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,高層建筑已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)建筑領(lǐng)域的主要模式,為滿足人們生產(chǎn)生活需要,保障人們生活生產(chǎn)的安全性和穩(wěn)定性,當(dāng)前高層建筑采用多種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)施工,梁式轉(zhuǎn)換層就是其中之一。本文通過(guò)分析高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)原理,對(duì)梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行闡述,從而嘗試解決高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)難點(diǎn),達(dá)到在高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中作出科學(xué)合理設(shè)計(jì)的目的。
關(guān)鍵詞:高層建筑;梁式轉(zhuǎn)換層;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);構(gòu)造要求
當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的形勢(shì)下,高層建筑已成為建筑領(lǐng)域主要類(lèi)型,高層建筑由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜和具有一定高度,在外觀和施工技術(shù)上具有較大特殊性,因此在施工上要求更高。為提高高層建筑工程質(zhì)量,保證穩(wěn)定性和安全性,高層建筑施工更要注意受力問(wèn)題,以避免自然災(zāi)害如地震對(duì)高層建筑造成破壞。而梁式轉(zhuǎn)換層作為高層建筑主要結(jié)構(gòu)形式之一,在提高建筑穩(wěn)定性和安全性上具有顯著優(yōu)勢(shì)。
1高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)
目前城市建筑出現(xiàn)大量高層建筑,且為了滿足城市地少人多的特點(diǎn)和建筑功能需要,高層建筑多采用下部(一般1~3層)為大開(kāi)間商場(chǎng)或公共娛樂(lè)場(chǎng)所,上部為小開(kāi)間民用住宅,不同功能相結(jié)合的商住高層建筑模式。由于下部大開(kāi)間要滿足公共使用要求,一般為大柱網(wǎng)、少墻體、相對(duì)稀疏的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),上部相對(duì)結(jié)構(gòu)密集,因此容易造成上下部之間建筑結(jié)構(gòu)體系存在較大差異,造成受力不均衡,違背了常規(guī)豎向結(jié)構(gòu)布置原則,容易造成建筑穩(wěn)定性和安全性較差。因此,為提高高層建筑穩(wěn)定性和安全性,針對(duì)上下結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換的樓層設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換層這一形式的出現(xiàn),滿足了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求,主要有桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)、箱型梁轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)、梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)、厚板轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)等。其中梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)是高層建筑中使用最多的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式,在提高高層建筑穩(wěn)定性和安全性上發(fā)揮著重要作用。
2梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)形式
梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)通過(guò)利用下部轉(zhuǎn)換大梁,將上部剪力墻落在框支梁上,再由框支柱來(lái)支撐框支梁,經(jīng)由墻—梁—柱(墻)的傳力途徑緩解上下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同造成的受力不均衡的不良局面,提高高層建筑穩(wěn)定性和安全性。梁式轉(zhuǎn)換層具有傳力直接明確,施工較為簡(jiǎn)單,便于工程分析、計(jì)算和設(shè)計(jì)的特點(diǎn),被廣泛用于底部大空間框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系。但如果出現(xiàn)上下軸線布置錯(cuò)位,需要增加較多的轉(zhuǎn)換次梁,就容易造成空間受力復(fù)雜的不良局面。根據(jù)上部結(jié)構(gòu)形式和受力特點(diǎn),梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式可分為以下八種形式。
3高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理
高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)原理主要有三維設(shè)計(jì)原理、有限元原理和協(xié)同工作原理3種。其中三維設(shè)計(jì)原理是首要遵循和選擇的設(shè)計(jì)原理,它利用CAD制圖的方法,通過(guò)使用2個(gè)以上不同力學(xué)模型,如空間桿—墻板元模型三維空間分析軟件,對(duì)梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和計(jì)算。它可以保證在高度精準(zhǔn)度的基礎(chǔ)上更有效地保障結(jié)構(gòu)分析,使設(shè)計(jì)人員可以準(zhǔn)確掌握結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力狀態(tài),提高高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)科學(xué)性,從而避免結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在漏洞。有限元原理是在三維設(shè)計(jì)原理分析計(jì)算整體結(jié)構(gòu)后作為補(bǔ)充設(shè)計(jì)的一種設(shè)計(jì)原理,主要應(yīng)用于局部轉(zhuǎn)換層的有限元補(bǔ)充分析,如在拖柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)當(dāng)中的抽柱框架,就是有限元分析原理應(yīng)有的、具有代表性的分析對(duì)象,在計(jì)算方位時(shí)要注意,在樓層計(jì)算數(shù)量取2~4層時(shí),必須保證上部樓高大于下部樓高,只有保證建筑結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到承受并傳遞荷載的水平,高層建筑的幾何構(gòu)造穩(wěn)定性水平才能得到有效提高。協(xié)同工作原則主要通過(guò)統(tǒng)一來(lái)自各方向的力,使建筑受力以及承載情況達(dá)到穩(wěn)定,確保建筑各部分可協(xié)同工作的一種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理。它是在三維設(shè)計(jì)原理、有限元原理2種設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)上起到全面綜合協(xié)調(diào)的一種設(shè)計(jì)原理,通過(guò)以上3種設(shè)計(jì)原理的綜合支撐,高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)才能達(dá)到科學(xué)、合理,確保了高層建筑的穩(wěn)定性和安全性。
4梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與構(gòu)造要求
4.1抗震等級(jí)的確定。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3—2010)相關(guān)規(guī)定,建筑工程分為4個(gè)抗震設(shè)防類(lèi)別:特殊設(shè)防類(lèi)(甲類(lèi))、重點(diǎn)設(shè)防類(lèi)(乙類(lèi))、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類(lèi)(丙類(lèi))、適度設(shè)防類(lèi)(丁類(lèi))。以某棟22層高層建筑為例,該高層建筑分為地上20層,地下停車(chē)場(chǎng)1層,其中1~4層為商住樓層,1層層高5.1m,2~4層層高均為4.2m,5層及以上為住宅樓層,層高為3m。其中4層設(shè)置為結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層兼設(shè)備層,屬于工程轉(zhuǎn)換層,其以下樓層為框架—剪力墻結(jié)構(gòu),其以上樓層即5層及以上為純剪力墻結(jié)構(gòu),因此該建筑屬于多種結(jié)構(gòu)形式共存的復(fù)雜高層建筑。它的抗震等級(jí)確定就應(yīng)該按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中對(duì)不同結(jié)構(gòu)體系和各部位不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件來(lái)確定抗震等級(jí)。以上面的22層高層建筑為例,它的轉(zhuǎn)換層設(shè)置在4層,已經(jīng)屬于高位轉(zhuǎn)換,那么就應(yīng)該在框支架抗震級(jí)別為2級(jí),在剪力墻底部加強(qiáng)部位為3級(jí)的基礎(chǔ)上提高1級(jí),以此來(lái)保證底部一致并加強(qiáng)底部抗震能力,即框支柱及落地剪力墻抗震提高至1級(jí),轉(zhuǎn)換層(即第4層)及以下落地剪力墻和加強(qiáng)部位提高至2級(jí)。而轉(zhuǎn)化層以上(5層及以上)屬于純剪力墻結(jié)構(gòu),其抗震級(jí)別應(yīng)定為4級(jí)。此類(lèi)“高轉(zhuǎn)換”建筑類(lèi)型在設(shè)計(jì)時(shí),在設(shè)計(jì)軟件SATWE中有一個(gè)隱含功能,在第一項(xiàng)“參數(shù)輸入”中輸入“轉(zhuǎn)換層所在層號(hào)≥3”,就可使框支柱抗震等級(jí)自動(dòng)提高一級(jí)。4.2結(jié)構(gòu)平面布局。以22層建筑為例,該高層建筑5層及以上為純剪力墻結(jié)構(gòu),在進(jìn)行剪力墻平面布置上,要求必須符合相關(guān)抗震設(shè)防要求,達(dá)到東西向完全對(duì)稱(chēng),南北向的剛度中心和質(zhì)量中心偏差不能超過(guò)2m,以保證結(jié)構(gòu)偏心率較小。同時(shí)核心筒以外的其余剪力墻必須盡量沿周邊均勻、分散布置,使一部分剪力墻落地并貫通至基礎(chǔ),使框支墻協(xié)同落地剪力墻受力,增強(qiáng)抗扭效果,還必須保證第一自振周期與平動(dòng)為主的周期比值為0.83,各層最大水平位移與層間位移比值不大于1.4。只有達(dá)到以上平面布置和扭轉(zhuǎn)控制要求,才能保證抗扭效果和高層建筑平面布局設(shè)計(jì)合理。4.3結(jié)構(gòu)豎向布置。高層建筑因結(jié)構(gòu)復(fù)雜,特別是有“高位轉(zhuǎn)換”轉(zhuǎn)換層的高層建筑對(duì)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度都有了專(zhuān)門(mén)規(guī)定:轉(zhuǎn)換層上下等效側(cè)向剛度比宜接近1,不應(yīng)大于1.3,必須遵循“強(qiáng)化下部,弱化上部”的原則。4.5合理設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換大梁。在對(duì)梁式轉(zhuǎn)換層實(shí)施設(shè)計(jì)過(guò)程中需要做到如下幾點(diǎn)要求:第一,轉(zhuǎn)換層樓板應(yīng)當(dāng)能夠有效傳遞上一層水平作用力至下一層抗剪結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)換層樓板不但負(fù)荷水平荷載,而且還承載部分豎向作用力,因此務(wù)必要確保樓板的縱向剛度與厚度符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)要求。第二,轉(zhuǎn)換層起到了傳遞上層水平荷載至下層抗剪結(jié)構(gòu)的作用,所以其承受著巨大的荷載,關(guān)系到整體建筑的抗震能力,具有不可或缺的作用。因此在具體設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),工作人員可以采取三維空間分析法來(lái)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換大梁,將其作為桿件來(lái)看待,隨后基于對(duì)總體結(jié)構(gòu)的分析,結(jié)合轉(zhuǎn)換梁所承受的上層荷載來(lái)分析轉(zhuǎn)換層自身與其上下基層的平面有限元,進(jìn)而將梁的配筋確定下來(lái)。
5結(jié)語(yǔ)
總而言之,近幾年國(guó)家城市經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,高層建筑也越來(lái)越多,并且隨著其外觀造型藝術(shù)化以及功能多元化的發(fā)展,對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求也越來(lái)越高,越來(lái)越多超常規(guī)的結(jié)構(gòu)涌現(xiàn)出來(lái)。其中在該類(lèi)超常規(guī)的混凝土結(jié)構(gòu)中,通常都具有自身重量大、高度高與跨度大等特征,所以對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求也較高。單純根據(jù)以往的設(shè)計(jì)方法與經(jīng)驗(yàn)無(wú)法保障整體結(jié)構(gòu)的安全,這就要求設(shè)計(jì)人員能夠正確掌握高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)形式,并結(jié)合實(shí)際情況來(lái)采取有效的設(shè)計(jì)措施,以切實(shí)有效地提高整體建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性,促使高層建筑行業(yè)健康發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
於斌.高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理及其應(yīng)用[J].居業(yè),2015(10):58-59,61.