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摘要:建筑物某层的上部与下部因平面使用功能不同,该楼层上部与下部采用不同结构类型,并通过该楼层进行结构转换,则该楼层称为结构转换层,结构转换层在建筑中形式较多,应用较广。在高层建筑设计中,转换层设计是结构设计的一个难点,更是不同形式结构体系转换的关键点,设计时应不断研究和进行方案比较,在可能的情况下做出较优的技术方案才能实现安全、适用、经济等综合目标。本文就建筑高层转换层设计要点进行综合探究,旨在设计出科学合理的建设方案,减少施工的风险和难度。
关键词:建筑高层;转换层设计;受力;功能
前言
现代高层建筑向多功能和综合用途发展,在同一竖直线上,顶部楼层布置住宅、旅馆,中部楼层作办公用房,下部楼层作商店、餐馆和文化娱乐设施。不同用途的楼层,需要大小不同的开间,采用不同的结构形式。这种类型结构的特点是竖向荷载作为结构设计的关键,转换结构设计的目标是把握好结构构件的挠度,而且转换层结构的施工量繁重且复杂,应该高度重视高层建筑转换层结构的施工过程。
1、高层建筑结构转换层设计概述
1.1 转换层结构功能。在建设转换层结构建筑时要求上部的刚度大,下部的刚度小,这样才能进行结构布置。将上层的剪力墙转换成下层的框架结构,实现大的空间结构,这是第一层转换层;上层和下层的结构形式不改变,变更上、下层的柱网和轴线,目的在于增大下部柱子之间的距离,使柱子形成一个网,这种类型的转换层经常用在外框筒下面构成一个入口,这是第二层转换层;上层剪力墙结构转换为框架结构的同时,柱子的网状结构的轴线与上层的轴线不是竖向连贯的,这就形成了上、下结构布置的错位,这是第三种转换层。
1.2 转换层结构分类。为了满足建筑功能的要求,结构必须以与常规方式相反进行布置,上部小空间,布置刚度大的剪力墙,下部大空间,布置刚度小的框架柱。为此,必须在结构转换的楼层设置转换层。结构转换层按结构功能分为三类:第一,上层和下层结构类型转换。多用于剪力墙结构和框架-剪力墙结构,它将上部剪力墙转换为下部的框架,以创造一个较大的内部自由空间。第二,上、下层的柱网、轴线改变。转换层上、下的结构形式没有改变,但是通过转换层使下层柱的柱距扩大,形成大柱网,并常用于外框筒的下层形成较大的入口。第三,同时转换结构形式和结构轴线布置。即上部楼层剪力墙结构通过转换层改变为框架的同时,柱网轴线与上部楼层的轴线错开,形成上下结构不对齐的布置。转换层的结构形式:当内部要形成大空间,包括结构类型转变和轴线转变时,可采用梁式、桁架式、空腹桁架式、箱形和板式转换层;当框筒结构在底层要形成大的入口,可以有多种转换层的形式,如梁式、桁架式、墙式、合柱式和拱式等。目前,国内用得最多的是梁式转换层,它设计和施工简单,受力明确,一般用于底部大空间剪力墙结构,当上下柱网、轴线错开较多,难以用梁直接承托时,可以做成厚板或箱式转换层,但其自重较大,材料耗用较多,计算分析也较复杂。
1.3 转换层设计原则。首先,转换层设计要有足够的刚度。保证内力合理的分配,要求梁的高度大于等于跨度1/6,转换梁具有很好的受力能力,可以在结构中起到很好的转换功能。其次,高层建筑中转换层的布置应该低一些。转换层布置较高时,框架剪力墙结构在每层容易发生刚度和内力的变化,这个部位形成薄弱部位,不利于抗震的要求。实际工程中必须要采用高布置时,设计中要综合弯曲、剪切和轴向的整体刚度,这样可以减少内力突变。第三,设计中要尽量减少竖向构件。贯穿落地的竖向构件越多,那么转换层设计就越来越少,而且这种结构可以很好的满足抗震的要求。
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2、不同形式转换层设计要点
2.1 转换梁设计。转换梁的结构在转换梁的形式方向可以分为托墙和托柱两种。转换梁在承受上层普通框架时,转换梁要保持在规定的截面尺寸内,转换梁的受力情况和普通梁基本保持一致,此时可以按照普通梁的截面设计方案进行施工。转换梁在整垮上是否开洞,都承载上面墙体,并与之共同工作,其受力特点和破坏形式表示为深梁形式,此时就采用深梁的截面设计方案。当满跨不开洞时,纵向钢筋就要沿整个的梁高均匀布置,当满跨且开洞或者不满跨但剪力墙较长时,纵向钢筋要沿梁的下部均匀布置,转换梁此此时存在很大的内力,所以底部的纵向钢筋应该全部延伸到支座中,不应截断。梁式转换层形式的传力方式是由墙体传给梁、柱,力的传递方向清晰,有利于力的计算和工程的分析设计,节省造价,因此该结构是在实际的工程中最常见的形式,应用很广泛。
2.2 框支柱设计。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%。
2.3 桁架式转换层设计。桁架式转换层形式的优点是受力清晰,自重相对较小,抗震性能强,管道安装和后期维护程序简单,但是这种形式施工的难度较大。桁架式转换层形式的承重结构是由多个钢筋混凝土桁架构成,桁架的杆分别设置在上下楼层面的结构层内,每层之间又设置了腹杆。桁架有空腹和实腹两种,材质可以是钢的或者钢筋混凝土的,后者在实际的高层结构中是比较常用的,桁架式转换层的设计以满足斜腹杆和节点的设计为要点,节点受力比较复杂,由于力的作用,容易发生剪力破坏的情况,此形式一般要求高度达到3m以上,否则斜压杆成为短柱,在高强度的作用下发生脆性破坏。
3、建筑高层转换层设计注意事项
3.1 转换层位置宜低不宜高。由于高层建筑结构竖向刚度存在一定程度的突变,且转换层上下附近的刚度、内力和传力途径都会发生突变,并且转换层通常刚度大、自重大,在其附近的楼层极易屈服,形成薄弱层,对抗震不利。另外,高位转换框支剪力墙结构的转换层下部落地剪力墙易产生裂缝,使得转换层下部刚度减小,导致框支柱产生裂缝;并且由于转换层的刚度大使得转换层上层相当于固结底层,从而使转换层上层的剪力墙内力增大易产生破坏,因此,设置转换层应坚持转换层位置宜低不宜高。底部大空间部分框支剪力墙高层建筑结构在地面以上的空间层数8 度时不宜超过 3 层,7度时不宜超过 5 层,6 度时其层数可适当增加;底部带转换层的框架核心筒结构和外筒为密柱框架的筒中筒结构,其转换层位置可适当提高。
3.2 上下轴网部份对齐。为避免采用厚板式转换层结构,尽可能采用梁板式或其他形式的转换层结构,其必要条件就是上下轴网部份对齐,轴网对齐的比例越高,转换层结构的设计就越简单容易,结构受力更明确,经济效果更好,这方面有赖于结构与建筑方案的密切配合和协调。如果结构上部、下部的轴网全部错位,则转换层结构可能只得采用厚板式,厚板式转换层结构是所有转换层结构中缺点最多的一种形式,不仅受力不好,设计难度高,施工困难,而且极不经济。
4、结语
总之,在高层建筑转换层的施工过程中,由于构件的复杂性和受力的多向性,使得对构件的支持系统要求很高,因此在施工过程中要严格控制质量,确保钢筋绑扎过程中的骨架稳定性,以保证建筑质量。
参考文献:
[1] 王蕾,高层建筑转换层结构设计与施工研究[J],城市建设理论研究,2012(36):57-58
[2] 王春伟,高层建筑转换层结构设计中的问题分析[J],黑龙江科技信息,2011(23)
论文作者:陈海峰
论文发表刊物:《基层建设》2015年10期
论文发表时间:2016/10/13
标签:结构论文; 剪力论文; 刚度论文; 形式论文; 桁架论文; 轴线论文; 楼层论文; 《基层建设》2015年10期论文;