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1、关于带转换层高层建筑的结构设计浅析 摘要 :近年来随着经济的繁荣及科学技术的不断进步 ,我国的高层建筑亦得到蓬勃发展。高层建筑物底常要求有较大的空间 ,单一结构体系已远不能适应平面布置复杂、沿竖向刚度变化不均匀、结构不能连续的建筑。为了满足建筑功能要求 ,实现结构体系的改变 ,并且保持空间工作性能 ,通常选择设置转换结构。 关键词 :高层建筑 ;转换层 ;结构设计 中图分类号： TU97 文献标识码： A文章编号： Abstract: in recent years, with the prosperity of economy and the improvement of science a

2、nd technology, our country of the high-rise building also get vigorous developmgle structure system far already can not adapt to the layout complex, along the vertical stiffness variation is not uniform, structure cant continuous buildiealize the structure of the system in change, and keep the space

3、 work performance, usually choose set convert structture design 1 转换层类型 在高层建筑结构 的底部 ,当上部楼层部分竖向构件 (剪力墙、框架柱 )不能直接连续贯通落地时 ,应设置结构转换层 ,在结构转换层布置转换结构构件 ,这类结构称为带转换层的高层建筑结构。选择什么样的转换层既能满足建筑底部大空间 ,上部小开间的要求 ,又能不失空间工作性能 ,是工程上十分关注的。因为在建筑结构中如果承力构件不连续 ,必然导致传力路线迂回曲折 ,甚至造成传力路线不明确 ,出现抗震薄弱环节。要在建筑底部、内部形成大空间的结构转换层 ,可以采用梁

4、式、桁架式、空腹桁架式、转换拱、箱形和板式转换层。其中梁式转换层应用最为普遍。它的设计原理和施工操作简单 ,受力比较明确 ,因此广泛应用于底部大空间的剪力墙体系中 ,当需要纵横向同时转换时 ,可以采用双向梁的布置方式形成箱形。 2 框支梁转换层设计要点 框支梁式转换层 ,是将底层部分剪力墙改为框架 ,形成建筑需要的大空间 ,并在底层布置刚强的落地剪力墙 ,在底部大空间剪力墙的设计布置中要集中考虑几个关键的问题。 2.1 首先要保证大空间层有充分的刚度防止沿竖向上下刚度变化过于悬殊。实际工程表明 ,刚度突变的建筑物 ,在地震作用下非常容易遭受破坏 ,必须严格控制转换层上下刚度比 。 =G i+1

5、?Ai+1/Gi?Ai?hi/hi+1;G:剪切变形模量G=0.425E;A=Aw+0.12Ac;Aw-在所计算方向上剪力墙面的全部有效截面面积 ;Ac-全部柱的截面面积。当建筑物有抗震要求时 应尽量接近于 1,不应大于 2。 2.2 必须控制框支剪力墙与落地剪力墙的比例 ,当剪力墙较多道且考虑抗震时 ,横向落地剪力墙数目与横向墙总数之比不宜少于 50%,非抗震时不宜少于 30%。 2.3必须控制落地剪力墙的间距和转换层楼板的厚度。表 1和表 2表明在转换层上下各抗侧力结构所受的剪力有相当大的 调整。转换层以上框支墙的剪力有 70 80%通过转换板传递到落地剪力墙上。 表 1 某工程转换层下一

6、层剪力分配 表 2 转换层上一层剪力分配 在地震作用下 ,转换层在自身平面内受力很大 ,必须控制落地剪力墙的间距 ,否则楼板会有明显变形。要传递转换层上剪力 ,楼板平面内的弯矩和剪力都很大 ,应当加强转换层楼板的构造措施。 2.4 必须从内力分析、结构强度、构件延性等方面进行框支梁、框支柱的截面设计并加强构造措施。 3 转换层杆系程序和有限元平面应力分析比较 在转换层 上下 ,特别在框支粱上下刚度突变、结构形式改变 ,给连续化方法进行计算分析带来困难 ,应用受到限制 ,因此在结构设计时 ,首先应用普通杆件或薄壁杆件的三维空间分析程序和空间协同工作分析程序进行建筑结构的整体计算 ,这种简化计算适

7、应性广 ,一般计算机程序都可以进行这类计算 ,本文采用 TBSA 进行计算。但是框支梁上部的剪力墙不是普通的杆件 ,受力比较复杂。 假定楼板平面内刚度无限大 ,所以在平面内各节点具有三个相同自由度 ,由此可推得楼板作刚体位移引起各节点位移 ,楼层位移的协调转换矩阵。 通过输入荷载 ,对总刚度矩 阵逐块分解 ,回代求解各工况下结构位移 ,求得各杆件内力。应当指出的是 ,由于程序假定楼板平面内刚度无限大 ,因此楼面内的梁单元没有轴向变形 ,也就不可能产生轴向力。 实际上 ,采用 TBSA 计算框支梁 ,内力误差较大 ,因为框支剪力墙底部区域各种应力分量的分布状况 ,竖向集中荷载沿剪力墙高度向水平方

8、向的扩散等情况复杂 ,采用杆系计算模型是无法将应力分布的真实情况反映出来 ,这时将框支梁视为平面应力问题而采用有限元分析是比较有效的。 当今程序有限元分析软件不断更新、能力加强 ,本文使用精度较高的平面膜元进行分析计 算。 对于任何一个结构 ,总可以写出下列整体刚度方程 : K+=P K-结构的整体刚度矩阵 -节点位移列矩阵 P-荷载列矩阵 当 K的阶数很大时 ,可将整体结构分成若干子结构 ,相邻子结构的分界处称为边界 ,边界的节点 ,称为子结构的边界节点。子结构分析法的基本思路是 :首先把各子结构的边界固定住 ,在子结构内部节点荷载作用下 ,求出各边界节点的作用力 ,然后把边界放松 ,置内部

9、荷载为零 ,由整个结构的边界刚度矩阵各方程 ,求出各边界节点的位移 ,最后根据边界节点位移 ,分别对每个子结构进行分析 ,求出应力和位移。单元划分得越小 ,精度也越高。 如果已经知道某截面上的几点应力 ,那么最简单的方法就是将应力的分布近视按线性分布来处理。显然划分得越细 ,精度也越高。有了应力分布 ,内力就容易求出了。表 3-1 是结合具体工程应用杆系空间分析程序 TBSA 进行连续计算和局部有限元计算框支梁内力比较的结果。 表 3-1 清楚说明 ,整体计算的结果不能直接采用 ,利用杆系程序计算出各楼层地震作用后 ,应当再对单榀框支剪力墙采用高精度平面有限元弹性应力分析做弹性平面问 题复算。

10、 4 框支梁开洞位置的影响 框支梁为偏心受拉构件 ,有弯矩、轴力和剪力 ,框支梁上墙有拱的作用特点 ,因此框支梁上开洞位置的确定比较关键。虽然根据计算分析 ,框支梁上开洞对非洞口截面的内力影响不大 ,但洞口处截面削弱而形成的上下弦杆的内力 ,则是随框支梁上开洞位置的不同而发生显著改变 ,以实际工程为例 ,框支层为设备层 ,需要开 1.00.9m 的洞口 ,为确定在框支梁中最佳开洞位置 ,分别假定洞口离柱中五种不同位置的情况 ,应用高精度有限元程序进行计算结果如表 4。 表 4 竖向荷载作用下框支梁 开洞位置与弦杆内力对照表 计算结果表明 ,在竖向荷载作用下开洞越接近柱边弦杆的剪力越大 ,上下弦

11、杆的最大弯矩和最大剪力值均发生在开洞位置处于柱边的情况 ,这种特点是很显著的 ,例如上弦杆左截面柱边处和梁跨中相比较 ,弯矩值大(-166.3/-4.4)=38倍 ,剪力值大 (586.9/24.1)=4.7倍。因此框支梁开洞应尽量远离柱边 ,而接近框支梁跨中。 5 转换层梁的构造要求 从框支梁的弯矩图可知 ,梁跨中正弯矩向支座减弱的速度比较缓慢 ,而支座负弯矩则衰减得很快 ,针对这一特点 ,配筋设计时 ,框 支梁下部钢筋应全部伸人支座锚固 ,不设弯筋 ,当梁跨不大时 ,上部支座负筋宜拉通。同时沿梁高应配置间距不大于 200mm,直径不小于 16 的腰筋。 框支梁的宽度不宜小于上层墙体厚度的

12、2倍 ,且不小于 400mm,抗震设计时 ,梁高不应小于跨度的 l/6。为保证框支梁与上部墙体的整体工作 ,宜将框支梁中外侧箍筋在梁内交圈 ,中间两肢向上延伸入墙体内不小于 40d交圈 ,或采用不小于 12100 的 U型墙体竖向插筋。 进行梁式转换层设计时 ,要注意框支柱的设计 ,从工程计算分析可以知道 ,虽然框支柱在与框支梁的内交角处有明 显的应力集中现象 ,但无论是在垂直荷载或是水平荷载作用下 ,除柱端截面以外 ,框支柱的弯矩和剪力都比较小 ,框支柱主要承受轴压力 ,转换层以上墙体的垂直荷截不能借助楼板平面内的刚度传递绐落地剪力墙 ,因此要严格控制框支柱的轴压比 ,抗震设计时框支柱的轴压

13、比不宜超过 0.6,短柱还要减 0.05,砼强度等级不应低于 C30,箍筋应沿框支柱全高加密 ,并采用复合箍或螺旋箍 ,箍筋直径不小于 10,间距不大于 l00mm,通过提高柱箍筋配箍率 ,来提高转换层柱的抗剪能力。 6 板式及桁架转换层 如果纵横框支梁连同上下层较厚 的楼板共同工作 ,可以形成刚度很大的箱形转换层 ,当转换层需要开洞时 ,可以采用桁式转换层。在实际工程中 ,有些工程转换层以上剪力墙布置零散 ,很多剪力墙不在柱网平面位置上。转换层上下轴线不对齐 ,采用梁式或桁架式转换结构很难布置合理 ,而且部分上层剪力墙需经几次次梁传递才能传到转换构件上 ,若采用梁式或桁架转换 ,传力路径很长

14、 ,受力不够明确 ,且传力构件剪力过大。 采用厚板转换层可允许转换层以上墙体灵活布置 ,更好满足建筑空间布置要求 ,由于厚板的抗剪截面很大 ,一般能满足抗震要求 ,在厚板转换层内设置暗梁 ,承受上部楼层集 中荷载并传递到下部结构 ,解决转换层上下轴线异位问题。 在进行结构整体计算时 ,厚板转换层的处理一般用与厚板等高的交叉梁系来代替厚板 ,梁宽取支承柱网的间距及 6倍板厚的较小值 ,将未参加计算的部分板重作为集中荷载作用于墙柱顶端。要特别引起注意的是 ,在转换层设置无柱联节点前 ,应将转换层 “梁 “上的无柱联节点 ,尽量靠近上层多肢剪力墙的形心位置 ,这样处理后 ,能较为合理地将上部荷载通过

15、转换层传至下部墙柱上。因为如果无柱联节点和上层多肢剪力墙的形心偏离太大 ,上层剪力墙的轴力会明显减小而弯矩将非常大 ,这种计算结果与实际 不相符合 ,而经过上述处理 “梁 “的计算结果较为合理 ,可以作为厚板转换层暗梁配筋设计依据。在框筒结构中 ,底部往住由于交通需要和建筑立面处理 ,而抽去部分外框架的柱子形成底层大柱距的筒体结构 ,在抗震设计中内筒墙和外框柱都承担较大的地震剪力和倾覆力矩 ,承力构件如果不连续 ,就会出现抗震薄弱环节。因此采取适当的转换结构 ,弥补抗侧刚度的局部削弱是十分必要的 ,这类建筑物经常采用桁架转换层 ,加大底层柱的截面积。 通过实际工程分析可以知道 ,抽柱前后底部几

16、层各竖向构件的地震剪力都进行了重新分配 ,除底层外其余各层波动幅度不 很大五层后已趋于一致。 要强调的是设置转换层以后 ,结构刚度沿竖向不连续 ,通过剪力墙部分落地和全部落地的具体工程实例的计算分析比较 ,可知这两种状况对整个建筑物的周期影响不大因此可以采用杆系空间分析与协同工作分析方法进行整体计算。但要注意转换层位置较高时 ,更易使框支剪力墙结构在转换层附近的刚度 ,内力发生突变 ,并易形成薄弱层 ,同时转换层下部的落地剪力墙及框支结构易于开裂和屈服。通过 28层建筑多振型地震作用组合 (下图 ),可以看出转换层 (第三层 )地震作用突然增大 ,出现峰值 ,其值为相邻层地震作用的3.2 倍

17、,这 是由于刚度和质量突变所造成。因此 ,转换层上下几层应重新进行分析 ,进行抗剪强度验算、延性计算 ,并加强构造处理。 7 转换层设计关键问题和应采取的措施 7.1 要保证大空间层有充分的刚度 ,防止沿竖向刚度变化过于悬殊。抗震设计时 ,要控制转换层上下层刚度变化率 ,使之尽量接近 1,不大于 2。为此可以采取控制落地剪力墙的比例 ,加大落地墙的厚度 ,提高砼的强度等级 ,减小洞口尺寸 ,使纵横连接形成筒体 ,还可以增设补偿剪力墙。来增加空间层的刚度。 7.2 一复杂受力构件 ,进行空间分析整体计算后 ,一定要截取 框支梁上下两层作为计算单元 ,进行有限元分析计算。框支梁的截面尺寸由剪力控制

18、 ,截面高度可取跨度的 1/5 1/7,必要时加腋梁。在构造上要采取措施 ,提高框支梁和上部墙体整体受力性能 ,放大框支柱柱头并直通框支梁的顶部 ,解决框支梁的剪力传递。 7.3 要控制落地剪力墙的间距 ,加强转换层楼板的刚度 ,在地震作用下 ,转换层上下几层竖向杆件的地震剪力都进行了重新分配 ,转换楼板要完成上下层剪力的重新分配 ,在自身平面内受力很大 ,楼板会有显著变形 ,必须加强楼板的整体性 ,限制楼板开洞 ,增加楼板厚度 ,板厚度不小于 180mm,配双面双向钢筋 ,板角宜加配斜筋。转换层楼面应采用现浇 ,其砼强度等级不应低于 C30。 7.4 转换层位置较高的高层建筑不利于抗震 ,转

19、换层位置设定要符合抗震设防烈度要求。为保证结构的安全 ,和地震作用下落地剪力墙和框支柱不先于转换层上部结构进入屈服状态 ,要使大空间层的安全系数大于上部。 要严格控制框支柱的轴压比和柱端抗剪强度。试验资料表明 ,转换层楼板有变形 ,大空间部分框支柱的位移增大 ,从而使框支柱的剪力比计算值大了很多。因此底部大空间楼层框支柱的内力不能直接采用楼板刚度无限大的假定计算结果 ,抗震 时框支柱的轴压比控制在 0.6 以下 ,箍筋采用复合箍 ,间距不大于 100mm,以增大柱子的延性 ,并留有对核心砼套箍作用的安全储备。梁、板式转换层水平轴线定在楼板处 ,框支柱的计算高度增加了转换层层高 ,在水平力作用下

20、的柱端弯矩不能直接采用 ,应另行计算。底层剪力一般可以考虑横向剪力墙承受全部横向水平剪力 ,框支柱另外附加楼层剪力的 20%30%,当框支柱数量少于 10 根时 ,可按每根承受全部剪力的 2% 3%考虑。 7.5 在构件设计上 ,应把重点放在加强结构的竖向整体性上 ,常常由于主体结构与底盘转换层下建筑质量重心不在 一条竖直线上 ,使得整体结构的扭转效应增大 ,要采取措施加强角部与边缘的剪力墙及角柱 ,增加抗扭刚度。加强转换层上下几层楼板的整体性 ,加大转换层四周边梁的宽度。为增加竖向结构的延性和抗剪能力 ,采取钢管或劲性配筋砼柱柔性梁能够控制短柱 ,减小截面 ,方便施工并提高抗震能力。 7.6

21、 采取厚板转换层 ,上部墙体可以灵活布置 ,但厚板自重大 ,不经济 ,除非其他转换构件不能很好满足建筑功能的需要时才使用 ,7 度以上抗震设计应避免采用厚板。 7.7 大体积混凝土的施工问题。实际工程转换层结构的尺寸常达到1.42.2H 以上。大体积混凝土的裂缝是通病 ,而框支梁是整个结构体系的关键部位 ,必须严格控制裂缝的产生 ,应采用在框支梁混凝土中掺加适量补偿收缩剂 ,在框支梁剪力最大的部位使用钢或其他纤维混凝土使其能有效控制裂缝。 8 结束语 目前，绝大多数高层建筑根据功能及结构的需要，都设有转换层，因此本课题研究具有广泛的适用性：高层建筑转换层施工技术研究牵涉学科范围广，是多种学科的综合运用。 注：文章内所有公式及图表请以 PDF 形式查看。