基于高層轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的探討
基于高層轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的探討
白瑞白麗娟
摘要:文章主要分析了高層建筑中轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的幾種常用做法以及轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)在高層建筑中的布置原則,探討高層建筑中轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和發(fā)展的趨勢(shì),提出高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中經(jīng)常注意的一些問(wèn)題。關(guān)鍵詞:高層建筑;轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);1引言
由于轉(zhuǎn)換層質(zhì)量及剛度集中,給結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析帶來(lái)不利影響,使轉(zhuǎn)換層處地震力集中,上下層內(nèi)力集中,層位移增大,轉(zhuǎn)換層從力學(xué)分析來(lái)看,有相當(dāng)難度,這是目前高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最關(guān)心的熱點(diǎn),F(xiàn)代高層建筑的趨勢(shì)是向多功能、綜合多用途發(fā)展,在同一豎直線上頂部樓層布置住宅、旅館,中部樓層作為辦公室,下部樓層作為商場(chǎng)、餐飲文化娛樂(lè)室。為了滿足建筑功能上的要求,上部需要小開(kāi)間的軸線布置,需要較多的墻體,以滿足旅館及住宅的要求;中部辦公室需要較小或中等大小的開(kāi)間,可以在柱網(wǎng)中布置一定數(shù)量的墻體來(lái)實(shí)現(xiàn);下部則希望有盡可能大的空間,柱網(wǎng)要大墻體要盡量少。由此可見(jiàn),這種布置上部剛度大下部剛度小,與高層建筑結(jié)構(gòu)合理布置有矛盾為了解決這種矛盾,必須在高層建筑結(jié)構(gòu)變化處設(shè)置轉(zhuǎn)換層,以保證結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)合理及安全可靠。2轉(zhuǎn)換層的定義和類型
因建筑物功能的需要,上部需要小開(kāi)間的軸線布置,需要較多的墻體;下部則希望有盡可能大的空間,柱網(wǎng)要大,墻體要盡量少。因而,上部部分豎向桿件不能直接連續(xù)貫通落地。而通過(guò)水平轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與下部豎向桿件連接,這樣構(gòu)成的高層建筑稱為帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)。
(1)上、下層結(jié)構(gòu)類型的改變
該結(jié)構(gòu)形式是目前高層建筑中實(shí)現(xiàn)垂直轉(zhuǎn)換最常用的結(jié)構(gòu)形式,由于其傳力途徑采用墻(柱)轉(zhuǎn)換梁柱(墻)的形式,具有傳力直接、明確和清楚的優(yōu)點(diǎn),便于工程計(jì)算、分析和設(shè)置轉(zhuǎn)換層將上部剪力墻轉(zhuǎn)換為下部的框架。這種轉(zhuǎn)換層多用于剪力墻和框架一剪力墻結(jié)構(gòu)中,以獲得較大的內(nèi)部自由空間。
(2)上、下層結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)和軸線的改變
轉(zhuǎn)換層上、下的結(jié)構(gòu)形式未改變,通過(guò)轉(zhuǎn)換層能使下部結(jié)構(gòu)的柱距擴(kuò)大,形成大柱網(wǎng)。這種形式常用于外框筒的下層以形成較大的出人口。
(3)同時(shí)改變上、下層結(jié)構(gòu)類型和柱網(wǎng)
上部剪力墻結(jié)構(gòu)通過(guò)轉(zhuǎn)換層改變?yōu)榭蛑Ъ袅Y(jié)構(gòu)的同時(shí),下部柱網(wǎng)與上部剪力墻的軸線錯(cuò)開(kāi),形成上、下柱網(wǎng)不對(duì)齊的布置。3轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法
高層建筑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)一般可分為4種基本結(jié)構(gòu)形式,即:梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)(包括托梁和雙向梁格)、桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)(包括空腹桁架)、箱型轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)、厚板轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。
3.1梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)
梁式轉(zhuǎn)換計(jì),且造價(jià)較節(jié)省。所以梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中應(yīng)用較廣。實(shí)際工程中轉(zhuǎn)換梁的結(jié)構(gòu)形式有多種多樣,從一轉(zhuǎn)換梁功能上,可分為托墻和托柱;從轉(zhuǎn)換梁形式上,可分為加腋和不加腋;從轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)采用材料上,又可分為鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土、鋼骨混凝土和鋼結(jié)構(gòu)等。轉(zhuǎn)換梁主要承受豎向荷載,受力特征主要表現(xiàn)為在豎向荷載作用下的受力規(guī)律為研究上部墻體對(duì)轉(zhuǎn)換梁受力特征的影響,采用有限元分析程序?qū)Σ煌Y(jié)構(gòu)形式轉(zhuǎn)換梁的受力特征進(jìn)行分析。根據(jù)一些工程實(shí)例的計(jì)算結(jié)果分析可見(jiàn),計(jì)算模型的選取與轉(zhuǎn)換梁的跨度有關(guān)。當(dāng)轉(zhuǎn)換梁的跨度較大時(shí),上部墻體的層數(shù)考慮取多些當(dāng)轉(zhuǎn)換梁的跨度較小時(shí),上部墻體的層數(shù)可適當(dāng)取少些。實(shí)際工程中轉(zhuǎn)換梁的常用跨度為612m而高層建筑結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層常用層高為2.8~3.2m。在此跨度和層高范圍內(nèi),對(duì)上部托墻形式的梁式轉(zhuǎn)換層,轉(zhuǎn)換梁內(nèi)力有限元分析取其上部墻體3~4層,視這部分墻體連同轉(zhuǎn)換梁組成的倒T型深梁與下部一層結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力分析,計(jì)算精度滿足設(shè)計(jì)要求。
3.1.1托柱形式轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計(jì)
當(dāng)轉(zhuǎn)換梁承托上部普通框架時(shí),在轉(zhuǎn)換梁常用截面尺寸范圍內(nèi),轉(zhuǎn)換梁的受力基本和普通梁相同,可按普通梁截面設(shè)計(jì)方法進(jìn)行配筋計(jì)算;當(dāng)轉(zhuǎn)換梁承托上部斜桿框架時(shí),轉(zhuǎn)換梁將承受軸向拉力,此時(shí)應(yīng)按偏心受拉構(gòu)件進(jìn)行截面設(shè)計(jì)。3.1.2托墻形式轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計(jì)
當(dāng)轉(zhuǎn)換梁承托上部墻體滿跨不開(kāi)洞時(shí),轉(zhuǎn)換梁與上部墻體共同工作,其受力特征與破壞形態(tài)表現(xiàn)為深梁,此時(shí)轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計(jì)方法宜采用深梁截面設(shè)計(jì)方法或應(yīng)力截面設(shè)計(jì)方法,且計(jì)算的縱向鋼筋應(yīng)沿全梁高適當(dāng)分布配置。由于此時(shí)轉(zhuǎn)換梁跨中較大范圍內(nèi)的內(nèi)力比較大,故底部縱向鋼筋不宜截?cái)嗪蛷澠,?yīng)全部伸人支座。當(dāng)轉(zhuǎn)換梁承托上部墻體滿跨且開(kāi)較多門窗洞或不滿跨但剪力墻的長(zhǎng)度較大時(shí),轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計(jì)方法也宜采用深梁截面設(shè)計(jì)方法或應(yīng)力截面設(shè)計(jì)方法,縱向鋼筋的布置則沿梁下部適當(dāng)分布配置,且底部縱向鋼筋不宜截?cái)嗪蛷澠穑瑧?yīng)全部伸入支座。當(dāng)轉(zhuǎn)換梁承托上部墻體為小墻肢時(shí),轉(zhuǎn)換梁基本上可按普通梁的截面設(shè)計(jì)方法進(jìn)行配筋計(jì)算,縱向鋼筋可按普通梁集中布置在轉(zhuǎn)換梁的底部。轉(zhuǎn)換梁的結(jié)構(gòu)形式有很多種,目前高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的實(shí)際工程應(yīng)用也很多。一般而言,高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的分析必須按施工模擬,使用各階段及施工實(shí)際支撐情況分別進(jìn)行計(jì)算,以反映結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的真實(shí)情況。施工過(guò)程中的力學(xué)問(wèn)題應(yīng)引起設(shè)計(jì)人員和施工人員的高度重視。3.2桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)
桁架式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)是由梁式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層變化而來(lái)的整個(gè)轉(zhuǎn)換層由多榀鋼筋混凝土桁架組成承重結(jié)構(gòu),桁架的上下弦桿分別設(shè)在轉(zhuǎn)換層的上下樓面的結(jié)構(gòu)層內(nèi),層間設(shè)有腹桿。由于桁架高度較高所以下弦桿的截面尺寸相對(duì)較小。桁架分為空腹桁架和實(shí)腹桁架2種,它可以是鋼桁架,也可以是鋼筋混凝土桁架,在鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)中常用鋼筋混凝土桁架。與梁式轉(zhuǎn)換層相比,它的整體性好,受力性更加明確,自重較小而抗震性能好,而且便于管道的安裝與維護(hù)等,但在施工上比較復(fù)雜,在設(shè)計(jì)上表現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)難度較大!皬(qiáng)斜腹桿,強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”是桁架轉(zhuǎn)換層的基本設(shè)計(jì)原則,而節(jié)點(diǎn)的受力復(fù)雜,容易發(fā)生剪切破壞,造成配筋過(guò)多。桁架轉(zhuǎn)換式通常要求高度在3m以上,否則斜壓桿件易形成超短柱,地震作用下容易產(chǎn)生脆性破壞。
桁架式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)可以采用ANSYS和TAT來(lái)進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析,除應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)整體的位移、變形、抗傾覆、周期等要求外,還應(yīng)滿足(JGJ3201*){高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中附錄E中規(guī)定的轉(zhuǎn)換層上下結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比的要求。相對(duì)其他結(jié)構(gòu)形式轉(zhuǎn)換層而言,桁架轉(zhuǎn)換層比梁式轉(zhuǎn)換層和厚轉(zhuǎn)換層在受力上更加合理,在轉(zhuǎn)換層位置受到的剪力和彎矩就比較小,有利于構(gòu)件截面尺寸的控制,不會(huì)造成很大的剛度集中在地震作用下,不會(huì)造成應(yīng)力的集中,有利于結(jié)構(gòu)抗震。其次在桁架轉(zhuǎn)換層上部的結(jié)構(gòu)所受到的剪力和彎矩相對(duì)其他的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)也較小,其受力受下部轉(zhuǎn)換層的影響較小,比較合理。由于桁架轉(zhuǎn)換層的重量相對(duì)其他轉(zhuǎn)換層的重量要小,從而減小了下部框架柱的抗壓負(fù)荷。3.3箱型轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)
該結(jié)構(gòu)形式即單向托梁、雙向托梁連同上下層較厚的樓板共同工作,可以形成剛度很大的箱形轉(zhuǎn)換層。它的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換層本身的整體性很好,當(dāng)轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)布置較復(fù)雜時(shí),仍能夠保證上下豎向構(gòu)件的有效傳力。但從建筑上來(lái)看,它直接占用了整個(gè)樓層的使用面積,使得該樓層通常只能作為設(shè)備層使用。同時(shí),轉(zhuǎn)換層內(nèi)部的剪力墻與設(shè)備布置、管線布置常常發(fā)生沖突。其缺點(diǎn)是自重大、造價(jià)高等。從結(jié)構(gòu)分析角度考慮,其內(nèi)力分析復(fù)雜、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工難度都較大,因此在實(shí)際工程中應(yīng)用較少。3.4厚板轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)
該結(jié)構(gòu)形式用于當(dāng)上、下柱網(wǎng)軸線錯(cuò)開(kāi)較多難以用梁直接承托時(shí),則需要做成厚板,形成板式承臺(tái)式轉(zhuǎn)換層。板式轉(zhuǎn)換層的下層柱網(wǎng)可以靈活布置、無(wú)須與下層結(jié)構(gòu)對(duì)齊。但有如下缺點(diǎn):自重很大,材料耗用較多。厚板式轉(zhuǎn)換層的剛度很大,可以視為剛性轉(zhuǎn)換層。板式轉(zhuǎn)換層一方面給上部結(jié)構(gòu)的布置帶來(lái)方便,另一方面也使板的傳力變得不清楚,因而受力也非常模糊,結(jié)構(gòu)計(jì)算相對(duì)困難,采用有限元計(jì)算時(shí)計(jì)算結(jié)果繁雜,給配筋設(shè)計(jì)帶來(lái)不便。另外從受力角度考慮,往往需要在柱與柱、柱與墻之間配筋加強(qiáng),相當(dāng)于設(shè)置暗梁,增加配筋量。從抗剪和抗沖切的角度考慮,轉(zhuǎn)換板的厚度往往很大,這樣的厚板一方面自重很大,增加了對(duì)下部垂直構(gòu)件的承載力的設(shè)計(jì)要求;另一方面,本層的混凝土用量也很大,不經(jīng)濟(jì)。厚板集中了很大的剛度和質(zhì)量,在地震作用下,地震反應(yīng)強(qiáng)烈,不僅板本身受力很大,而且由于沿豎向剛度突然變化,相鄰上下層受到很大的作用力,容易發(fā)生震害。以往的模型震動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究表明,厚板的上下相鄰層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯的裂縫和混凝土剝落。另外,試驗(yàn)還表明,在豎向荷載和地震力共同作用下,板不僅發(fā)生沖切破壞,還可能產(chǎn)生剪切破壞板內(nèi)必須三向配筋。
下面就介紹厚板轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)方法:
帶厚板轉(zhuǎn)換層的高層建筑可采用三維空間分析程序(如TBSA,SATWE,TAT等)進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析。厚板的內(nèi)力分析:轉(zhuǎn)換板邊界形狀不規(guī)則,荷載分布和支撐條件較為復(fù)雜,一般需采用有限單元法進(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力分析?刹捎肞KPM系列軟件中復(fù)雜樓板有限元分析軟件計(jì)算。該程序有良好的前后處理功能,能自動(dòng)地從整體分析程序中取出內(nèi)力作為荷載,自動(dòng)劃分網(wǎng)格和編號(hào),計(jì)算應(yīng)力后可自動(dòng)進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算、內(nèi)力組合、配筋計(jì)算。可以進(jìn)行板在豎向荷載作用下的受彎、受剪受沖切和局部受壓的計(jì)算,可以計(jì)算板在水平方向面內(nèi)的剪力與彎矩。4結(jié)語(yǔ)
由于帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論方法還不完善,因此在進(jìn)行帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意以下幾個(gè)問(wèn)題:
(1)轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)不應(yīng)成為薄弱層,避免樓層承載力突變。
(2)應(yīng)使轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度接近下部結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度,不發(fā)生轉(zhuǎn)換層上、下剛度突變。
(3)若底部轉(zhuǎn)換層位置越高,則轉(zhuǎn)換層上、下剛度突變?cè)酱,轉(zhuǎn)換層上、下內(nèi)力傳遞途徑的突變加劇;若轉(zhuǎn)換層位置越高,則落地剪力墻或墻體容易出現(xiàn)受彎裂縫,從而使框支柱的內(nèi)力增大,轉(zhuǎn)換層上部附近的墻體易破壞;若轉(zhuǎn)換層位置越高,則對(duì)結(jié)構(gòu)抗震不利。參考文獻(xiàn)
[1]秦榮.高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)[M].北京:科學(xué)出版社.201*.
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高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的探討
摘要:隨著我國(guó)建筑建設(shè)技術(shù)水平的不斷提升,高層建筑成為了當(dāng)前建筑建設(shè)的主要對(duì)象,而設(shè)計(jì)人員在當(dāng)前對(duì)高層建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中,開(kāi)始面臨越來(lái)越多的轉(zhuǎn)換層的問(wèn)題。轉(zhuǎn)換層的存在,加大了高層建筑空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性,設(shè)計(jì)人員必須立足于轉(zhuǎn)換層的具體特點(diǎn),實(shí)施針對(duì)性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),才能避免建筑建設(shè)問(wèn)題的呈現(xiàn)。本文便是以高層建筑中的轉(zhuǎn)換層為主題,通過(guò)探討其轉(zhuǎn)換層的相關(guān)含義、類型、設(shè)計(jì)原則等,著重討論了優(yōu)化其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)策略。
關(guān)鍵詞:高層建筑;轉(zhuǎn)換層;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);優(yōu)化策略中圖分類號(hào):[tu208.3]文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:a文章編號(hào):
近年來(lái),高層建筑建設(shè)在城市中的發(fā)展勢(shì)頭日益強(qiáng)盛,人們對(duì)于高層建筑的功能要求也逐漸地趨于多樣化,辦公樓層、商店、居民區(qū)等混雜在統(tǒng)一棟樓上,這就為不同樓層的空間結(jié)構(gòu)提出了不同的需求,設(shè)計(jì)人員必須為建筑加設(shè)轉(zhuǎn)換層方能同時(shí)滿足各部門使用群體的要求。而轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜,非常容易出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題,因此,設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中,必須充分把握轉(zhuǎn)換層的類型與特點(diǎn),以采取適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式,充分注重設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)與難點(diǎn),以推動(dòng)其設(shè)計(jì)目標(biāo)的達(dá)成。
一、高層建筑中轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)相關(guān)問(wèn)題概述1、含義高層建筑結(jié)構(gòu)具有上部樓層受力小而上部樓層受力大的特點(diǎn),設(shè)計(jì)人員普遍會(huì)提高下部結(jié)構(gòu)的剛度以及墻、梁、柱等的數(shù)量,并在樓層逐漸升高的過(guò)程中,減少設(shè)計(jì)中的墻、柱結(jié)構(gòu)應(yīng)用,繼而使建筑形成穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)支撐柱網(wǎng),這就決定高層建筑的下部結(jié)構(gòu)空間要大于上部結(jié)構(gòu)的空間,此種設(shè)計(jì)與常規(guī)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案恰好相反,設(shè)計(jì)人員必須在空間結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的樓層加設(shè)水平的轉(zhuǎn)換構(gòu)件,才能保證設(shè)計(jì)目標(biāo)的達(dá)成,此種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)即為高層建筑的轉(zhuǎn)換層。2、形式
目前,高層建筑中轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì),主要采取箱、梁、板、柱、桁架、框架這幾種結(jié)構(gòu)形式,各種結(jié)構(gòu)形式在設(shè)計(jì)中存在著顯著的差別,這些差別便是設(shè)計(jì)者在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),必須遵從的前提與依據(jù)。本文下面就對(duì)箱、梁、板以及框架幾種結(jié)構(gòu)加以分析:1)梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)(如下圖一所示托梁與雙向梁)常用于垂直轉(zhuǎn)換施工,它以上部墻到轉(zhuǎn)換梁再到下部柱的途徑傳遞受力,傳遞路徑直接順暢,便于進(jìn)行受力計(jì)算以及工程分析,高度大致為0.8m-6.0m,造價(jià)比較低。箱式結(jié)構(gòu)(如下圖二所示)是在單項(xiàng)和雙向的托梁配合的基礎(chǔ)上,再與上層和下層樓板共同澆筑而成結(jié)構(gòu),具有較高的剛度。圖一圖二
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