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摘要：近些年来由于这种结构底部大空间, 使用灵活方便, 在国内得到广泛应用。本文探讨了几种带转换层高层建筑结构设计方法及结构形式。
关键词：带转换层高层建筑结构设计形式
中图分类号： TU97 文献标识码： A 文章编号：
随着高层建筑向多功能、多用途的发展，要求结构不同用途的楼层具有不同的开间和不同的结构形式。例如，上部结构需要小开间，多墙体来满足旅馆和住宅的要求；中部结构需要中等开间来满足办公室的要求；底部结构则需要很大的开间来满足公用部分的要求，布置开间要灵活而大，墙体要少。上述布置原则违背了下部刚度大，上部刚度小的原则，为了满足建筑功能的要求，实现上部小空间，下部大空间；上部布置刚度大的剪力墙，底部布置刚度小的框架柱，必须设计转换层，对高层进行结构设计。
为实现高层建筑内部上、下层结构形式与柱网的变化, 转换结构除采用梁、桁架、空腹桁架、箱形结构等, 近几年又有许多新型的转换結构形式涌现, 如搭接柱转换结构、宽扁梁转换结构、斜撑转换结构等等。
一、内部结构采用的转换层结构形式
1、梁式转换
由于它受力明确, 设计与施工简单, 一般用于上层为剪力墙结构, 下层为框架结构的转换。当纵、横向同时需要转换时, 可采用双向梁布置的转换方式。
2、板式转换层
当上、下柱网、轴线有较大错位, 不便用梁式转换层时, 可以采用板式转换方式。板的厚度一般很大, 以形成厚板式承台转换层。它的下层柱网可以灵活布置, 不必严格与上层结构对齐,但板很厚, 自重很大, 材料用量很多。且计算复杂, 厚板的受力分析很难明确。
3、箱式转换层
当需要从上层向更大跨度的下层进行转换时, 若采用梁式或板式转换层已不能解决问题, 这种情况下, 可以采用箱式转换层。它很像箱形基础, 也可看成是由上、下层较厚的楼板与单向托梁、双向托梁共同组成, 具有很大的整体空间刚度, 能够胜任较大跨度、较大空间、较大荷载的转换。
4、桁架式转换层
这种形式的转换层受力合理明确, 构造简单, 自重较轻, 材料节省, 能适应较大跨度的转换, 虽比箱式转换层的整体空间刚度相对较小, 但比箱式转换层少占空间。
5、空腹桁架式转换层
这种形式的转换层与桁架式转换层的优点相似, 但空腹桁架式转换层的杆系都是水平、垂直的, 而桁架式转换层则具有斜撑竿。空腹桁架式转换层在室内空间上比桁架式转换层好,比箱式转换层更好。
二、外围结构采用的转换层结构形式
对于外围结构, 往往由于建筑功能的需要在底部扩大柱距, 一般采用梁式转换、绗架式转换、墙式转换、间接式转换、合柱式转换、拱式转换。
三、新型转换层结构
1、搭接柱转换结构
搭接柱转换结构是一种新颖的转换结构体系。当给予建筑立面平面功能需要, 上下层柱错位时, 搭接柱转换是一种合理有效的转换结构。它传力直接, 稳定可靠, 尤适用以结构高位转换, 具有十分优良的抗震性能。
( 1) 设计原则
转换柱作为转换构件, 混凝土用料较少、造价低、自重小,转换层本层建筑空间可充分利用, 上下层沿竖向刚度突变较小。以利用搭接柱实现沿建筑立面的外扩为例, 搭接柱可将上层柱受力传递到下层柱。但需注意的是搭接柱上方楼盖承受过分大的拉力, 易成为薄弱部位, 搭接柱转层上部一两层楼盖仍可能受到影响, 承受拉力; 转换层下方楼盖主要承受压力。其承载能力相对较高。标准层外筒框架轴力向下传递, 使搭接柱本身受力复杂, 所受压力、剪立、弯矩都较大。
( 2) 搭接柱转换结构的工作原理
搭接柱转换结构在重力荷载作用下的安全度和可靠度, 主要取决于搭接块相连楼盖梁板的承载能力和轴向刚度的控制。楼盖梁板的承载能力和轴向刚度得到控制和满足, 重力荷载作用下, 次内力( 柱、梁、板、墙的弯矩、剪力) 及搭接柱变形就能受到控制, 整个搭接柱转换结构就能正常工作。搭接块相连楼盖梁板承载能力和轴向刚度控制是搭接柱转换结构重力荷载作用下正常工作的关键技术。
( 3) 贯通落地筒体- 框架结构工作特性
搭接柱转换基本保证了框架柱直接落地, 整体结构的振动特性及地震作用下的工作状态与贯通落地筒体- 框架结构无异。框架柱搭接转换本质是弱化了框架抗侧作用, 更进一步强化了核心筒体的抗侧作用。因此核心筒体为整体结构最主要的抗侧力构件, 其承载力、延性和截面尺寸应予以保证, 当筒体自下而上变化混凝土强度等级、截面尺寸及配筋时, 每级变化均应延伸至搭接柱区段上一层, 且需逐渐变化, 减弱搭接柱转换引起局部刚度退化应力集中的影响, 保证整体机构抗震承载能力不致突变。
( 4) 搭接柱转换结构计算分析
为了了解搭接柱转换结构在总体荷载、地震荷载组合效应下的工作状况, 整体杆系、局部有限元分析十分必要, 主要的软件可用TBSA、ETABS 等等。
2、斜撑转换结构
( 1) 斜撑转换结构的优越性
重力荷载作用下传力路径明确, 以构件受压受拉代替构件受弯受剪来承受重力荷载, 受力方式非常合理;斜撑转换的转换层与上下层的刚度比变化幅度很小, 因此在水平地震力作用下, 可以避免结构层间剪力和构件内力发生突变, 有利于结构抗震。
( 2) 斜撑转换结构的设计计算要点
①钢筋混凝土斜撑结构应该采用弹性楼盖计算, 并考虑下弦楼盖梁在轴向拉力作用下出现裂缝, 引起下弦楼盖梁刚度退化造成对整体转换结构的不利影响。下弦楼盖梁需要满足重力荷载下的裂缝限制要求。
②为保证斜撑转换结构重极为重要的结构构件( 斜撑、下弦楼盖梁以及转换层上下层竖向结构构件) 在大震作用下可靠工作, 有必要采用弹性反应谱大震符合计算它们的极限承载能力。斜撑和下层柱中间的轴向拉力通过弹性反应谱大震复核才能出来。
3、宽扁梁转换结构
( 1) 宽扁梁转换结构的优越性
宽扁梁转换层有利于降低转换层高度和方便建筑设备使用, 与建筑功能的结合较普通转换梁有着巨大的优势, 同时, 研究分析表明, 宽扁梁转换梁用于柱支剪力墙转换、托柱转换在高位、高烈度区抗震性能比普通转换梁有着较大的优势, 它有利于减缓高位转换刚度突变带来的转换层框支柱剪力、轴力突变增大及框支柱顶弯矩突变增大引起的应力集中, 改善结构的抗震性能。
( 2) 宽扁梁转换结构的设计计算要点
①实验研究及应用实测表明, 宽扁梁承载力与普通梁无异。对于宽扁梁转换梁, 由于它受力巨大而又特别重要, 应满足剪压比、受压区高度比、强剪弱弯三项延性要求。另外, 极限承载能力应能满足弹性大震组合内力要求。
②为确保宽扁梁转换梁制作节点承载能力与延性能满足弹性大震要求, 特别要注意应双向设置宽扁梁, 以扩大外核心区范围, 保证外核心受扭承载力, 并应按梁端实配纵筋复核其受扭极限承载能力满足要求, 避免外核心扭转脆性破坏。同时应控制宽扁梁的柱外宽度, 避免脆性冲切破坏。
③有限元计算分析表明, 在重力荷载和地震作用下, 特别是主次梁多级转换时, 转换梁处于弯拉扭复杂应力状态。宽扁梁向比普通转换梁受楼板约束大, 扭转刚度有所增大。但是对于多级转换的柱转换梁及上部墙、柱与转换梁偏心等情况, 转换梁受扭不可避免。同时由于上部结构刚度的存在, 与转换梁的变形协调一般都使转换梁跨中受到较大的拉力。针对转换梁复杂弯拉扭剪应力状态, 宽扁梁转换梁应按偏心受拉、受扭剪构件设计, 特别要注意外周箍筋加强及腰筋的下密上疏布置。上部墙、柱集中荷载作用处尚应设抗冲切箍筋及吊筋。
参考文献：
[1] 郭英伟.对高层建筑结构设计探讨[J]. 中小企业管理与科技(下旬刊). 2010(08)
[2] 章斌全.框支剪力墙转换层结构设计探索[J]. 工程建设与设计. 2003(02)
[3] 曾波,杜咏.南京市某高层商住楼框支剪力墙结构设计[J]. 建筑科学. 2000(05)
[4] 李国胜.关于底部大空间剪力墙结构的转换层设计[J]. 建筑结构. 2001(07)
关键词：带转换层高层建筑结构设计形式
中图分类号： TU97 文献标识码： A 文章编号：
随着高层建筑向多功能、多用途的发展，要求结构不同用途的楼层具有不同的开间和不同的结构形式。例如，上部结构需要小开间，多墙体来满足旅馆和住宅的要求；中部结构需要中等开间来满足办公室的要求；底部结构则需要很大的开间来满足公用部分的要求，布置开间要灵活而大，墙体要少。上述布置原则违背了下部刚度大，上部刚度小的原则，为了满足建筑功能的要求，实现上部小空间，下部大空间；上部布置刚度大的剪力墙，底部布置刚度小的框架柱，必须设计转换层，对高层进行结构设计。
为实现高层建筑内部上、下层结构形式与柱网的变化, 转换结构除采用梁、桁架、空腹桁架、箱形结构等, 近几年又有许多新型的转换結构形式涌现, 如搭接柱转换结构、宽扁梁转换结构、斜撑转换结构等等。
一、内部结构采用的转换层结构形式
1、梁式转换
由于它受力明确, 设计与施工简单, 一般用于上层为剪力墙结构, 下层为框架结构的转换。当纵、横向同时需要转换时, 可采用双向梁布置的转换方式。
2、板式转换层
当上、下柱网、轴线有较大错位, 不便用梁式转换层时, 可以采用板式转换方式。板的厚度一般很大, 以形成厚板式承台转换层。它的下层柱网可以灵活布置, 不必严格与上层结构对齐,但板很厚, 自重很大, 材料用量很多。且计算复杂, 厚板的受力分析很难明确。
3、箱式转换层
当需要从上层向更大跨度的下层进行转换时, 若采用梁式或板式转换层已不能解决问题, 这种情况下, 可以采用箱式转换层。它很像箱形基础, 也可看成是由上、下层较厚的楼板与单向托梁、双向托梁共同组成, 具有很大的整体空间刚度, 能够胜任较大跨度、较大空间、较大荷载的转换。
4、桁架式转换层
这种形式的转换层受力合理明确, 构造简单, 自重较轻, 材料节省, 能适应较大跨度的转换, 虽比箱式转换层的整体空间刚度相对较小, 但比箱式转换层少占空间。
5、空腹桁架式转换层
这种形式的转换层与桁架式转换层的优点相似, 但空腹桁架式转换层的杆系都是水平、垂直的, 而桁架式转换层则具有斜撑竿。空腹桁架式转换层在室内空间上比桁架式转换层好,比箱式转换层更好。
二、外围结构采用的转换层结构形式
对于外围结构, 往往由于建筑功能的需要在底部扩大柱距, 一般采用梁式转换、绗架式转换、墙式转换、间接式转换、合柱式转换、拱式转换。
三、新型转换层结构
1、搭接柱转换结构
搭接柱转换结构是一种新颖的转换结构体系。当给予建筑立面平面功能需要, 上下层柱错位时, 搭接柱转换是一种合理有效的转换结构。它传力直接, 稳定可靠, 尤适用以结构高位转换, 具有十分优良的抗震性能。
( 1) 设计原则
转换柱作为转换构件, 混凝土用料较少、造价低、自重小,转换层本层建筑空间可充分利用, 上下层沿竖向刚度突变较小。以利用搭接柱实现沿建筑立面的外扩为例, 搭接柱可将上层柱受力传递到下层柱。但需注意的是搭接柱上方楼盖承受过分大的拉力, 易成为薄弱部位, 搭接柱转层上部一两层楼盖仍可能受到影响, 承受拉力; 转换层下方楼盖主要承受压力。其承载能力相对较高。标准层外筒框架轴力向下传递, 使搭接柱本身受力复杂, 所受压力、剪立、弯矩都较大。
( 2) 搭接柱转换结构的工作原理
搭接柱转换结构在重力荷载作用下的安全度和可靠度, 主要取决于搭接块相连楼盖梁板的承载能力和轴向刚度的控制。楼盖梁板的承载能力和轴向刚度得到控制和满足, 重力荷载作用下, 次内力( 柱、梁、板、墙的弯矩、剪力) 及搭接柱变形就能受到控制, 整个搭接柱转换结构就能正常工作。搭接块相连楼盖梁板承载能力和轴向刚度控制是搭接柱转换结构重力荷载作用下正常工作的关键技术。
( 3) 贯通落地筒体- 框架结构工作特性
搭接柱转换基本保证了框架柱直接落地, 整体结构的振动特性及地震作用下的工作状态与贯通落地筒体- 框架结构无异。框架柱搭接转换本质是弱化了框架抗侧作用, 更进一步强化了核心筒体的抗侧作用。因此核心筒体为整体结构最主要的抗侧力构件, 其承载力、延性和截面尺寸应予以保证, 当筒体自下而上变化混凝土强度等级、截面尺寸及配筋时, 每级变化均应延伸至搭接柱区段上一层, 且需逐渐变化, 减弱搭接柱转换引起局部刚度退化应力集中的影响, 保证整体机构抗震承载能力不致突变。
( 4) 搭接柱转换结构计算分析
为了了解搭接柱转换结构在总体荷载、地震荷载组合效应下的工作状况, 整体杆系、局部有限元分析十分必要, 主要的软件可用TBSA、ETABS 等等。
2、斜撑转换结构
( 1) 斜撑转换结构的优越性
重力荷载作用下传力路径明确, 以构件受压受拉代替构件受弯受剪来承受重力荷载, 受力方式非常合理;斜撑转换的转换层与上下层的刚度比变化幅度很小, 因此在水平地震力作用下, 可以避免结构层间剪力和构件内力发生突变, 有利于结构抗震。
( 2) 斜撑转换结构的设计计算要点
①钢筋混凝土斜撑结构应该采用弹性楼盖计算, 并考虑下弦楼盖梁在轴向拉力作用下出现裂缝, 引起下弦楼盖梁刚度退化造成对整体转换结构的不利影响。下弦楼盖梁需要满足重力荷载下的裂缝限制要求。
②为保证斜撑转换结构重极为重要的结构构件( 斜撑、下弦楼盖梁以及转换层上下层竖向结构构件) 在大震作用下可靠工作, 有必要采用弹性反应谱大震符合计算它们的极限承载能力。斜撑和下层柱中间的轴向拉力通过弹性反应谱大震复核才能出来。
3、宽扁梁转换结构
( 1) 宽扁梁转换结构的优越性
宽扁梁转换层有利于降低转换层高度和方便建筑设备使用, 与建筑功能的结合较普通转换梁有着巨大的优势, 同时, 研究分析表明, 宽扁梁转换梁用于柱支剪力墙转换、托柱转换在高位、高烈度区抗震性能比普通转换梁有着较大的优势, 它有利于减缓高位转换刚度突变带来的转换层框支柱剪力、轴力突变增大及框支柱顶弯矩突变增大引起的应力集中, 改善结构的抗震性能。
( 2) 宽扁梁转换结构的设计计算要点
①实验研究及应用实测表明, 宽扁梁承载力与普通梁无异。对于宽扁梁转换梁, 由于它受力巨大而又特别重要, 应满足剪压比、受压区高度比、强剪弱弯三项延性要求。另外, 极限承载能力应能满足弹性大震组合内力要求。
②为确保宽扁梁转换梁制作节点承载能力与延性能满足弹性大震要求, 特别要注意应双向设置宽扁梁, 以扩大外核心区范围, 保证外核心受扭承载力, 并应按梁端实配纵筋复核其受扭极限承载能力满足要求, 避免外核心扭转脆性破坏。同时应控制宽扁梁的柱外宽度, 避免脆性冲切破坏。
③有限元计算分析表明, 在重力荷载和地震作用下, 特别是主次梁多级转换时, 转换梁处于弯拉扭复杂应力状态。宽扁梁向比普通转换梁受楼板约束大, 扭转刚度有所增大。但是对于多级转换的柱转换梁及上部墙、柱与转换梁偏心等情况, 转换梁受扭不可避免。同时由于上部结构刚度的存在, 与转换梁的变形协调一般都使转换梁跨中受到较大的拉力。针对转换梁复杂弯拉扭剪应力状态, 宽扁梁转换梁应按偏心受拉、受扭剪构件设计, 特别要注意外周箍筋加强及腰筋的下密上疏布置。上部墙、柱集中荷载作用处尚应设抗冲切箍筋及吊筋。
参考文献：
[1] 郭英伟.对高层建筑结构设计探讨[J]. 中小企业管理与科技(下旬刊). 2010(08)
[2] 章斌全.框支剪力墙转换层结构设计探索[J]. 工程建设与设计. 2003(02)
[3] 曾波,杜咏.南京市某高层商住楼框支剪力墙结构设计[J]. 建筑科学. 2000(05)
[4] 李国胜.关于底部大空间剪力墙结构的转换层设计[J]. 建筑结构. 2001(07)