论文部分内容阅读
摘要：随着我国经济的发展和科学技术的不断进步，高层建筑的底部大空间结构的发展使得转换层结构朝着形式多样化、方法多样化、结构受力更有利的方向发展。转换层结构已成为现代高层建筑结构的发展趋势之一。本文结合某工程实践，详细地说明某高层住宅综合楼结构转换层的设计，通过对结构转换层多施工方案的检算，选择了一种安全便捷的施工方案。
上世纪70年代中期，我国高层建筑发展开始加速，
关键词：高层建筑；转换层施工；设计
Abstract: with the development of our national economy and the improvement of science and technology, the bottom of the high-rise building large space structure development makes the conversion layers structure in various form, diverse methods, the structure stress more favorable direction. Conversion layers structure has become a modern high-rise building one of the development trend of structure. This paper in combination with an engineering practice, a detailed description of a high-rise residential building structural design of the layer, through to the structural layer of construction scheme by calculating, chose a safe and convenient construction plan. In the mid 1970 s, our country to accelerate the development of high-rise buildings,
Keywords: high building; Conversion layer construction; design
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
1高层建筑转换层设计技术
转换板设置位置，是人们关心的板式转换框支剪力墙结构抗震性能的重要问题之一。随着人们对梁式转换框支剪力墙结构在转换层位置设置较高时，转换层对结构抗震性能不利的认识，从而提出了转换层位置较高的框支剪力墙的抗震设计概念，并且限制转换层下大空间结构的层数。然而，板式转换结构随着转换层位置的提高，结构是否也表现出同样的动力特性及反应，也是值得讨论的。
1.1箱形结构转换层
(1)箱形转换层加大底盘也有其特殊的结构性能。上部剪力通过箱形转换层,一部分直接传给筒体,还有一部分通过与转换层相连的裙房屋面在下层进行再分配。如果裙房尺度过大,塔楼传下来的剪力就未必会完全按照刚性楼面的假定进行分配,即远离塔楼的裙房柱的实际剪力小于计算值,而塔楼范围内的墙体及框支柱的实际剪力则大于计算值。因此,在进行施工图设计时,对此要有所考虑。
(2)箱形转换层不仅传递了上部结构的竖向荷载,也将层间剪力在框支层内部进行了重新分配,使得下部墙、柱的内力分布与梁式结构有所不同。简言之,箱形转换层不仅起梁的作用,也起墙的作用。
1.2框支梁转换层
梁式转换具有传力路径清晰快捷,工作可靠,构造简单,施工方便等优点,是目前国内应用最广的转换层结构型式,占总数的85％以上。转换梁的截面尺寸主要由其抗剪承载力决定,但可通过加腋或采用钢骨混凝土、预应力混凝土等方法来减小截面尺寸[5]。
1.3桁架、空腹桁架转换
桁架分为空腹桁架与实腹桁架两种。桁架转换层与梁式转换相比,受力状态更明确,可使用空间更大,自重小,抗震性能好,但其节点设计难度大,“强斜腹杆、强节点”是桁架转换层设计的基本原则,而节点的受力状态复杂,容易发生剪切脆性破坏,造成计算配筋多,施工不便,限制了桁架转换的应用。带桁架转换层的结构设计应遵循下列原则:带桁架转换层的结构按“强化转换层及其下部、弱化转换层上部”的原则; 桁架转换层按“强斜腹杆、强节点”的原则; 桁架转换层上部框架结构按“强柱弱梁、强边柱弱中柱”的原则。试验结果表明,满足上述原则设计的带桁架转换层的结构具有较好的延性,能够满足工程抗震的要求[6]。
1.4倒置角锥形(斜柱)转换形式:
斜柱转换式是较为特殊的一种结构型式,它可以较好地发挥混凝土的受压性能,形成更多更好利用的建筑空间。斜柱转换中会产生较大的水平荷载,在实际工程中可以结合建筑物的平面布置,通过加设圈梁或拉梁,使其以最短的路径相互平衡,几种常见的斜柱转换的结构型式有:三斜柱的转换、四斜柱的单拉梁转换、四斜柱复拉梁转换;正置角锥形转换;平面三角形转换。
2设计实例
本工程为某商住合一的高层建筑,建筑高度为46.7 m,地上部分15层,一、二层为商业用房,三至十五层为住宅,地下室层高4.5m二层商业用房部分为:底层层高4.5 m,二层层高4.5 m,住宅部分层高为2.9 m。由于不同的用途需要不同的空间组合形式,因此除了主体中间部分(电梯间、楼梯間等公共部分)布置成落地剪力墙核心筒,其他部分均不能采用一种结构体系。必须在二层顶采用结构转换的方法过渡为另一种结构形式。
本工程所处地区地震设防烈度为6度,结构底部加强区剪力墙抗震等级二级,非底部加强区剪力墙抗震等级三级,框支框架抗震等级二级。
2.1结构选型
结构转换层的类型很多,对于此工程来说,如果采用厚板转换存在以下问题:转换厚板的混凝土及钢材用量都很大,增加投资成本,并且施工难度大;受力情况复杂,计算过程繁琐。如果选用箱形转换,优点是结构整体性好,不管上部结构布置多么复杂,仍能保证上、下竖向构件的有效传力。但是从结构设计角度考虑,内力分析较为复杂,转换层设计的技术储备不足,难度相对较大,且施工难度也大。
梁式转换层优点主要表现为设计和施工简单,转换构件受力明确,经济合理性强。内部空间自由畅通,满足管线布置要求,在转换梁结构受力较小的部位可以开洞口,容易满足建筑对功能的要求。
2.2转换层结构布置
该工程一、二层为商业建筑,需要有较大的开间及空间,上部住宅的剪力墙无法落地,经多种方案分析比较,决定采用部分框支一剪力墙结构体系,抗震等级为一级。工程的转换层结构及标准层结构布置见图1。
图1转换层结构布置图
2.3构造措施
首先对整体结构进行概念设计,采用必要的结构构造措施是保证抗震设防要求的重要手段。本工程采用了以下一些构造措施:
(1)加强底部框支层的刚度和延性。根据转换层结构设计原则,转换层上下结构侧向刚度比值在抗震设计时不应大于2。为了减小上下层刚度比,底部两层核心筒及剪力墙厚度300 mm,混凝土强度等级C40; 3层以上为200mm;,混凝土强度等级C35~C25。由于核心筒位置较偏,北向刚度较大,因此在底部南边位置适当部位增设了剪力墙,使刚心和质心尽量重合,也提高了底部刚度,使其满足刚度比限值。
(2)加强转换层楼板的刚度及延性,确保水平荷载的可靠传递,楼板厚度取为180mm,双层双向配筋,每层每方向的配筋率为0.25%,加强了整体性。
(3)短肢剪力墙尽量布置在框支柱上,避免在框支柱间设置剪力墙,墙肢可以长一些,这样大幅度降低了转换大梁的弯矩,同时也降低梁高和配筋。选用形式上尽量采用L型、T型,避免使用一字型。
2.4结构计算
对于高层结构的分析,合理选择计算软件非常重要,它直接影响结果的精度和可靠度。本工程选用以墙元模型模拟剪力墙的SATWE空间有限元软件。根据经验初步选定转换梁截面,用SATWE进行结构整体计算,得到转换梁所受设计剪力后,按照该值不大于0.15fcβcbh0/0.85校核截面尺寸。对转换梁不仅有强度要求,也有刚度要求。本工程转换层的层高为4.45 m,转换梁的最大跨度为6.5 m,大梁截面尺寸为450 mm×1 400 mm, 400 mm×1 400 mm,450 mm×1 100 mm。梁宽度不小于上部墙体厚度(200mm),梁高度大于梁跨度的1/6,均满足要求。根据轴压比确定框支柱主要截面尺寸: 700 mm×900 mm, 900 mm×900 mm, 850 mm×850 mm。
对于复杂高层建筑,需要考虑扭转耦联,计算中还要考虑模拟施工加载,计算发现梁一次加载在结构的大部分位置配筋均多于分层加载配筋。采用SATWE整体分析求出结构顶点位移、层间相对位移、落地剪力墙所分担的地震剪力。由于设置次梁转换,使结构处于复杂的空间受力状态,现有程序不能正确反映其受力,因此在整体分析的基础上,取其内力进行人工配筋校核。根据上部结构传递给转换层的荷载,用FEQ对转换层本身及其上下几层进行平面有限元分析,对于转换梁、框支柱在整体计算的基础上,采用平面有限元框支剪力墙计算软件FEQ进行局部有限元精确分析,并按应力校核配筋。
另外,对于一些结构构件采取以下构造措施:
(1)框支梁的支座处及上部墙体开门洞附近剪力均较大,箍筋应加密配置;当洞口靠近梁端时,也可采用梁端加腋提高其抗剪承载力,并加密配箍。
(2)框支层上剪力墙洞口上部的连梁,设计上要保证强剪弱弯,在连梁内充分配筋,配置交叉斜筋,保证梁内塑性绞的出现。
总之，随着高层建筑进一步的发展，高层建筑的形式、材料、力学分析模型都将日趋复杂多元。为了革新高層建筑，体现其魅力。追求新的结构形式和更加合理的力学模型将是土木工程师们的目标和方向。
参考文献：
[1]唐兴荣高层建筑转换层结构设计与施工中国建筑工业出版社2004
[2]李国胜多高层钢筋混凝土结构设计中疑难问题的处理及算例中国建筑工业出版社2005
[3]唐兴荣.高层建筑转换层结构设计与施工[M]．北京：中国建筑工业出版社，2002．
[4]李隽,刘宏伟,许建华.高层建筑结构转换层施工方法研究[J].山西建筑,2005,31
[5]多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE用户手册及技术条件[M].中国建筑科学研究院，2005．
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
上世纪70年代中期，我国高层建筑发展开始加速，
关键词：高层建筑；转换层施工；设计
Abstract: with the development of our national economy and the improvement of science and technology, the bottom of the high-rise building large space structure development makes the conversion layers structure in various form, diverse methods, the structure stress more favorable direction. Conversion layers structure has become a modern high-rise building one of the development trend of structure. This paper in combination with an engineering practice, a detailed description of a high-rise residential building structural design of the layer, through to the structural layer of construction scheme by calculating, chose a safe and convenient construction plan. In the mid 1970 s, our country to accelerate the development of high-rise buildings,
Keywords: high building; Conversion layer construction; design
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
1高层建筑转换层设计技术
转换板设置位置，是人们关心的板式转换框支剪力墙结构抗震性能的重要问题之一。随着人们对梁式转换框支剪力墙结构在转换层位置设置较高时，转换层对结构抗震性能不利的认识，从而提出了转换层位置较高的框支剪力墙的抗震设计概念，并且限制转换层下大空间结构的层数。然而，板式转换结构随着转换层位置的提高，结构是否也表现出同样的动力特性及反应，也是值得讨论的。
1.1箱形结构转换层
(1)箱形转换层加大底盘也有其特殊的结构性能。上部剪力通过箱形转换层,一部分直接传给筒体,还有一部分通过与转换层相连的裙房屋面在下层进行再分配。如果裙房尺度过大,塔楼传下来的剪力就未必会完全按照刚性楼面的假定进行分配,即远离塔楼的裙房柱的实际剪力小于计算值,而塔楼范围内的墙体及框支柱的实际剪力则大于计算值。因此,在进行施工图设计时,对此要有所考虑。
(2)箱形转换层不仅传递了上部结构的竖向荷载,也将层间剪力在框支层内部进行了重新分配,使得下部墙、柱的内力分布与梁式结构有所不同。简言之,箱形转换层不仅起梁的作用,也起墙的作用。
1.2框支梁转换层
梁式转换具有传力路径清晰快捷,工作可靠,构造简单,施工方便等优点,是目前国内应用最广的转换层结构型式,占总数的85％以上。转换梁的截面尺寸主要由其抗剪承载力决定,但可通过加腋或采用钢骨混凝土、预应力混凝土等方法来减小截面尺寸[5]。
1.3桁架、空腹桁架转换
桁架分为空腹桁架与实腹桁架两种。桁架转换层与梁式转换相比,受力状态更明确,可使用空间更大,自重小,抗震性能好,但其节点设计难度大,“强斜腹杆、强节点”是桁架转换层设计的基本原则,而节点的受力状态复杂,容易发生剪切脆性破坏,造成计算配筋多,施工不便,限制了桁架转换的应用。带桁架转换层的结构设计应遵循下列原则:带桁架转换层的结构按“强化转换层及其下部、弱化转换层上部”的原则; 桁架转换层按“强斜腹杆、强节点”的原则; 桁架转换层上部框架结构按“强柱弱梁、强边柱弱中柱”的原则。试验结果表明,满足上述原则设计的带桁架转换层的结构具有较好的延性,能够满足工程抗震的要求[6]。
1.4倒置角锥形(斜柱)转换形式:
斜柱转换式是较为特殊的一种结构型式,它可以较好地发挥混凝土的受压性能,形成更多更好利用的建筑空间。斜柱转换中会产生较大的水平荷载,在实际工程中可以结合建筑物的平面布置,通过加设圈梁或拉梁,使其以最短的路径相互平衡,几种常见的斜柱转换的结构型式有:三斜柱的转换、四斜柱的单拉梁转换、四斜柱复拉梁转换;正置角锥形转换;平面三角形转换。
2设计实例
本工程为某商住合一的高层建筑,建筑高度为46.7 m,地上部分15层,一、二层为商业用房,三至十五层为住宅,地下室层高4.5m二层商业用房部分为:底层层高4.5 m,二层层高4.5 m,住宅部分层高为2.9 m。由于不同的用途需要不同的空间组合形式,因此除了主体中间部分(电梯间、楼梯間等公共部分)布置成落地剪力墙核心筒,其他部分均不能采用一种结构体系。必须在二层顶采用结构转换的方法过渡为另一种结构形式。
本工程所处地区地震设防烈度为6度,结构底部加强区剪力墙抗震等级二级,非底部加强区剪力墙抗震等级三级,框支框架抗震等级二级。
2.1结构选型
结构转换层的类型很多,对于此工程来说,如果采用厚板转换存在以下问题:转换厚板的混凝土及钢材用量都很大,增加投资成本,并且施工难度大;受力情况复杂,计算过程繁琐。如果选用箱形转换,优点是结构整体性好,不管上部结构布置多么复杂,仍能保证上、下竖向构件的有效传力。但是从结构设计角度考虑,内力分析较为复杂,转换层设计的技术储备不足,难度相对较大,且施工难度也大。
梁式转换层优点主要表现为设计和施工简单,转换构件受力明确,经济合理性强。内部空间自由畅通,满足管线布置要求,在转换梁结构受力较小的部位可以开洞口,容易满足建筑对功能的要求。
2.2转换层结构布置
该工程一、二层为商业建筑,需要有较大的开间及空间,上部住宅的剪力墙无法落地,经多种方案分析比较,决定采用部分框支一剪力墙结构体系,抗震等级为一级。工程的转换层结构及标准层结构布置见图1。
图1转换层结构布置图
2.3构造措施
首先对整体结构进行概念设计,采用必要的结构构造措施是保证抗震设防要求的重要手段。本工程采用了以下一些构造措施:
(1)加强底部框支层的刚度和延性。根据转换层结构设计原则,转换层上下结构侧向刚度比值在抗震设计时不应大于2。为了减小上下层刚度比,底部两层核心筒及剪力墙厚度300 mm,混凝土强度等级C40; 3层以上为200mm;,混凝土强度等级C35~C25。由于核心筒位置较偏,北向刚度较大,因此在底部南边位置适当部位增设了剪力墙,使刚心和质心尽量重合,也提高了底部刚度,使其满足刚度比限值。
(2)加强转换层楼板的刚度及延性,确保水平荷载的可靠传递,楼板厚度取为180mm,双层双向配筋,每层每方向的配筋率为0.25%,加强了整体性。
(3)短肢剪力墙尽量布置在框支柱上,避免在框支柱间设置剪力墙,墙肢可以长一些,这样大幅度降低了转换大梁的弯矩,同时也降低梁高和配筋。选用形式上尽量采用L型、T型,避免使用一字型。
2.4结构计算
对于高层结构的分析,合理选择计算软件非常重要,它直接影响结果的精度和可靠度。本工程选用以墙元模型模拟剪力墙的SATWE空间有限元软件。根据经验初步选定转换梁截面,用SATWE进行结构整体计算,得到转换梁所受设计剪力后,按照该值不大于0.15fcβcbh0/0.85校核截面尺寸。对转换梁不仅有强度要求,也有刚度要求。本工程转换层的层高为4.45 m,转换梁的最大跨度为6.5 m,大梁截面尺寸为450 mm×1 400 mm, 400 mm×1 400 mm,450 mm×1 100 mm。梁宽度不小于上部墙体厚度(200mm),梁高度大于梁跨度的1/6,均满足要求。根据轴压比确定框支柱主要截面尺寸: 700 mm×900 mm, 900 mm×900 mm, 850 mm×850 mm。
对于复杂高层建筑,需要考虑扭转耦联,计算中还要考虑模拟施工加载,计算发现梁一次加载在结构的大部分位置配筋均多于分层加载配筋。采用SATWE整体分析求出结构顶点位移、层间相对位移、落地剪力墙所分担的地震剪力。由于设置次梁转换,使结构处于复杂的空间受力状态,现有程序不能正确反映其受力,因此在整体分析的基础上,取其内力进行人工配筋校核。根据上部结构传递给转换层的荷载,用FEQ对转换层本身及其上下几层进行平面有限元分析,对于转换梁、框支柱在整体计算的基础上,采用平面有限元框支剪力墙计算软件FEQ进行局部有限元精确分析,并按应力校核配筋。
另外,对于一些结构构件采取以下构造措施:
(1)框支梁的支座处及上部墙体开门洞附近剪力均较大,箍筋应加密配置;当洞口靠近梁端时,也可采用梁端加腋提高其抗剪承载力,并加密配箍。
(2)框支层上剪力墙洞口上部的连梁,设计上要保证强剪弱弯,在连梁内充分配筋,配置交叉斜筋,保证梁内塑性绞的出现。
总之，随着高层建筑进一步的发展，高层建筑的形式、材料、力学分析模型都将日趋复杂多元。为了革新高層建筑，体现其魅力。追求新的结构形式和更加合理的力学模型将是土木工程师们的目标和方向。
参考文献：
[1]唐兴荣高层建筑转换层结构设计与施工中国建筑工业出版社2004
[2]李国胜多高层钢筋混凝土结构设计中疑难问题的处理及算例中国建筑工业出版社2005
[3]唐兴荣.高层建筑转换层结构设计与施工[M]．北京：中国建筑工业出版社，2002．
[4]李隽,刘宏伟,许建华.高层建筑结构转换层施工方法研究[J].山西建筑,2005,31
[5]多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE用户手册及技术条件[M].中国建筑科学研究院，2005．
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。