论文部分内容阅读
摘要:转换层结构形式有以下几种: 梁式转换、箱式转换、桁架式转换、空腹桁架式转换、斜撑式转换、板式转换等。本文以工程实例探讨了高层建筑结构转换层的结构设计,供相关工作人员参考和借鉴。
关键词:高层建筑,结构转换层,结构设计。
中图分类号:[TU208.3] 文献标识码:A 文章编号:
1. 工程概况
本工程位于梧州市, 由某房地产公司开发。其中地下一层, 地上30 层, 地下一层为设备用房及停车场,底部一、二、三层为商业和娱乐用房;四层为结构转换层,转换层以上为高层住宅塔楼,建筑总层数为三十一层,总高度为99.30m,建筑面积为32000m2,本建筑位于六度抗震区,建筑场地为Ⅱ类,框支柱和剪力墙底部加强部位的抗震等级为一级,非底部加强部位剪力墙抗震等级为三级,在楼、电梯部位设置上下对齐的落地剪力墙形成核心筒,并在筒体对称位置设置纵横落地剪力墙。
2. 结构方案
根据建筑功能要求,本工程底部商业和娱乐部分要求有较大跨度的柱网,形成大空间;上部为住宅,分隔空间较小。从结构受力角度来看,建筑物沿竖向正常的布置应该是下部楼层的墙、柱多而密,刚度大,上部则逐渐减少墙、柱,减小刚度,这样布置可是结构刚度沿竖向均匀递减,避免刚度突变. 而建筑功能要求常使竖向结构的布置正好相反,结构设计在方案确定时,底部为框架—剪力墙结构,上部采用剪力墙结构,在第四层楼面位置设置转换层,转换层结构构件大致可采用梁、桁架、空腹桁架、箱形结构、斜撑等,非抗震设计及六度抗震设计时亦可采用厚板。
3. 结构设计
本工程采用钢筋混凝土大梁作为结构转换层,将上部剪力墙结构变为下部三层以柱为主的大空间结构,满足建筑上使用功能的需要,在结构设计时,应着重从以下几个方面着手:
①构件截面的确定
转换大梁(即框支梁) 截面组合的最大剪力设计值应满足公式1的要求,有地震组合时:
V =(0.15βcfcbh0)/γRE (1)
式中:γRE=0.85;βc为混凝土强度影响系数,当混凝土强度等级不大于C50时,取1.0;当混凝土强度等级大于C80时,取0.8;当混凝土强度等级在C50至C80之间时,可按线性内插采用。fc为混凝土轴心抗压强度设计值;b为构件截面宽度;ho为构件截面有效高度。
本工程采用混凝土强度等级C40,fc=19.1N/mm2,采用中国建筑科学院PKPM系列 软件进行结构整体计算,确定转换梁(框支梁)的截面尺寸为1000mm×2500mm。
②框支剪力墙截面的确定
在水平荷载作用下,当转换层上、下部楼层的结构侧向刚度相差较大时,会导致转换层上、下部结构内力突变,促使部分构件提前破坏。为此,在结构设计时,应严格控制转换层上、下层结构等效刚度比的限值规定,当底部大空间为1层时,转换层上、下结构以剪切变形为主,可近似用转换层上、下层结构等效剪切刚度比γ表示转换层上下层结构刚度的变化,非抗震设计时γ不应大于3,抗震设计时γ不应大于2;当底部大空间大于1层时,其转换层上、下部结构的等效侧向刚度比γe可按图1所示的计算模型按公式2计算,比值宜接近1,非抗震时不应大于2,抗震设计时不应大于1.3。
γe=△1H2 /△2H1 (2)
式中γe为转换层上下结构的等效侧向刚度比;H1为转换层及其下部结构(模型a)的高度;△1为转换层及其下部结构(模型a)的顶部在单位水平力作用下的侧向位移;H2为转换层及其上部若干层结构(模型b)的高度,其值应等于或接近模型a的高度H1,且不大于H1;△2为转换层及其上部若干层结构(模型a)的顶部在单位水平力作用下的侧向位移。
当转换层设置在3 层及3层以上时, 其楼层侧向刚度尚不应小于相邻上部楼层侧向刚度的60%,转换层上下部结构等效侧向刚度计算时,宜综合考虑各构件的剪切、弯曲和轴向变形对结构侧移的影响.同時按一、二级抗震等级设计的剪力墙的截面厚度,底部加强部位不应小于层高或剪力墙无支长度的1/16,且不小于200mm;其他部位不应小于层高或剪力墙无支长度的1/20,且不小于160mm,根据以上相关要求,并结合建筑平面布置,本工程转换层以下落地剪力墙厚度采用350mm,转换层以上部分根据墙所在位置的不同分别采用240mm和200mm,在设计中采用SETWE软件整体计算得:γe=1.186,能较好的满足转换层上下结构的等效刚度比限值的要求。
③框支柱截面的确定
本工程根据SATWE软件计算,框支柱根据轴压比限值为0.6的要求确定,同时结合框支梁的截面宽度及框支梁计算跨度,最后采用柱截面为1200mm×1200~1400mm不等。
④转换层楼板厚度确定
转换层楼板是主要传力构件,因此在设计时,对框支层楼板应进行截面尺寸的控制,并应进行抗剪截面验算、楼板平面内受弯承载力验算以及构造配筋要求,本工程转换层楼板厚度取值为200mm;实际配筋为Φ12×150双层双向,楼板中钢筋锚固在边梁或墙体内,与转换层相邻楼层的楼板也适当加强,板厚采用150mm。
4. 结构计算
(1)框支剪力墙结构的内力分析分两步:首先采用三维空间方法进行整体结构的内力分析,得到各构件的内力和配筋;然后对转换梁(框支梁) 附近楼层进行平面有限元分析,取得详细应力分布,然后决定转换梁(框支梁) 和附近墙体内的配筋,平面有限元分析的范围选取底层框架和框支层以上4层的墙,底层框支梁柱的有限单元按300划分,在梁柱全截面高度下划为五等分,上层墙体结合洞口位置均匀划分。
(2)内力分析后,应对楼层剪力作如下调整:
1)底层落地剪力墙承担该层全部剪力;
2)底层框支柱承担20%~30%的底层剪力,其分配原则应按下表1进行。
框支柱剪力调整后,应相应调整框支柱的弯矩及柱端梁(不包括转换梁) 的剪力、弯矩,框支柱的轴力可不调整。
(3)分析结果说明,框支梁大多数情况下为偏心受拉构件,并承受较大剪力,框支梁上墙体开有边洞时,形成小墙肢,此小墙肢的应力集中尤为突出,而边门洞部位框支梁应力急剧加大, 在水平荷载作用下,上部有边门洞框支梁的弯矩约为上部无边门洞框支梁的弯矩的3倍,剪力也约为3倍,因此在设计时,除小墙肢外,边门洞部位的框支梁的抗剪能力也应加强,箍筋应加密配置,本工程设计时,采用梁端加腋的方式提高抗剪承载力,并加密箍筋。
5. 构件配筋
(1)框支梁大多数为偏心受拉构件,本工程设计框支梁上、下实际纵向配筋率分别为0.92%~1.43%不等,并保证至少大于50%的支座上部纵向钢筋沿梁全长拉通. 箍筋配筋率最小达到1.2%,箍筋直径为Φ14。
(2)框支柱在严格控制轴压比的情况下,柱内全部纵向钢筋配筋率分别为1.82%~2.35%不等,箍筋配筋率最小达到2.1%,箍筋直径为Φ16,并采用井字复合箍沿柱高方向全高加密。
6. 结束语
转换层结构较为复杂且工程量又较大,因此设计时首先应注重概念设计,这样一来可以少走弯路;其次通过上述计算和分析可以得知,此类建筑在平面布置上应尽可能的规则、对称,减少偏心,优化调整转换层上下结构的布置和刚度,使之接近是十分必要的。在设计时,尽量考虑施工的可行性,以达到最为合理的设计。
参考文献:
[1]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.
[2]谢晓锋. 高层建筑转换层结构型式的应用现状及问题[J].广东土木与建筑,2004.
[3] 《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3—2010).
[4]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.
关键词:高层建筑,结构转换层,结构设计。
中图分类号:[TU208.3] 文献标识码:A 文章编号:
1. 工程概况
本工程位于梧州市, 由某房地产公司开发。其中地下一层, 地上30 层, 地下一层为设备用房及停车场,底部一、二、三层为商业和娱乐用房;四层为结构转换层,转换层以上为高层住宅塔楼,建筑总层数为三十一层,总高度为99.30m,建筑面积为32000m2,本建筑位于六度抗震区,建筑场地为Ⅱ类,框支柱和剪力墙底部加强部位的抗震等级为一级,非底部加强部位剪力墙抗震等级为三级,在楼、电梯部位设置上下对齐的落地剪力墙形成核心筒,并在筒体对称位置设置纵横落地剪力墙。
2. 结构方案
根据建筑功能要求,本工程底部商业和娱乐部分要求有较大跨度的柱网,形成大空间;上部为住宅,分隔空间较小。从结构受力角度来看,建筑物沿竖向正常的布置应该是下部楼层的墙、柱多而密,刚度大,上部则逐渐减少墙、柱,减小刚度,这样布置可是结构刚度沿竖向均匀递减,避免刚度突变. 而建筑功能要求常使竖向结构的布置正好相反,结构设计在方案确定时,底部为框架—剪力墙结构,上部采用剪力墙结构,在第四层楼面位置设置转换层,转换层结构构件大致可采用梁、桁架、空腹桁架、箱形结构、斜撑等,非抗震设计及六度抗震设计时亦可采用厚板。
3. 结构设计
本工程采用钢筋混凝土大梁作为结构转换层,将上部剪力墙结构变为下部三层以柱为主的大空间结构,满足建筑上使用功能的需要,在结构设计时,应着重从以下几个方面着手:
①构件截面的确定
转换大梁(即框支梁) 截面组合的最大剪力设计值应满足公式1的要求,有地震组合时:
V =(0.15βcfcbh0)/γRE (1)
式中:γRE=0.85;βc为混凝土强度影响系数,当混凝土强度等级不大于C50时,取1.0;当混凝土强度等级大于C80时,取0.8;当混凝土强度等级在C50至C80之间时,可按线性内插采用。fc为混凝土轴心抗压强度设计值;b为构件截面宽度;ho为构件截面有效高度。
本工程采用混凝土强度等级C40,fc=19.1N/mm2,采用中国建筑科学院PKPM系列 软件进行结构整体计算,确定转换梁(框支梁)的截面尺寸为1000mm×2500mm。
②框支剪力墙截面的确定
在水平荷载作用下,当转换层上、下部楼层的结构侧向刚度相差较大时,会导致转换层上、下部结构内力突变,促使部分构件提前破坏。为此,在结构设计时,应严格控制转换层上、下层结构等效刚度比的限值规定,当底部大空间为1层时,转换层上、下结构以剪切变形为主,可近似用转换层上、下层结构等效剪切刚度比γ表示转换层上下层结构刚度的变化,非抗震设计时γ不应大于3,抗震设计时γ不应大于2;当底部大空间大于1层时,其转换层上、下部结构的等效侧向刚度比γe可按图1所示的计算模型按公式2计算,比值宜接近1,非抗震时不应大于2,抗震设计时不应大于1.3。
γe=△1H2 /△2H1 (2)
式中γe为转换层上下结构的等效侧向刚度比;H1为转换层及其下部结构(模型a)的高度;△1为转换层及其下部结构(模型a)的顶部在单位水平力作用下的侧向位移;H2为转换层及其上部若干层结构(模型b)的高度,其值应等于或接近模型a的高度H1,且不大于H1;△2为转换层及其上部若干层结构(模型a)的顶部在单位水平力作用下的侧向位移。
当转换层设置在3 层及3层以上时, 其楼层侧向刚度尚不应小于相邻上部楼层侧向刚度的60%,转换层上下部结构等效侧向刚度计算时,宜综合考虑各构件的剪切、弯曲和轴向变形对结构侧移的影响.同時按一、二级抗震等级设计的剪力墙的截面厚度,底部加强部位不应小于层高或剪力墙无支长度的1/16,且不小于200mm;其他部位不应小于层高或剪力墙无支长度的1/20,且不小于160mm,根据以上相关要求,并结合建筑平面布置,本工程转换层以下落地剪力墙厚度采用350mm,转换层以上部分根据墙所在位置的不同分别采用240mm和200mm,在设计中采用SETWE软件整体计算得:γe=1.186,能较好的满足转换层上下结构的等效刚度比限值的要求。
③框支柱截面的确定
本工程根据SATWE软件计算,框支柱根据轴压比限值为0.6的要求确定,同时结合框支梁的截面宽度及框支梁计算跨度,最后采用柱截面为1200mm×1200~1400mm不等。
④转换层楼板厚度确定
转换层楼板是主要传力构件,因此在设计时,对框支层楼板应进行截面尺寸的控制,并应进行抗剪截面验算、楼板平面内受弯承载力验算以及构造配筋要求,本工程转换层楼板厚度取值为200mm;实际配筋为Φ12×150双层双向,楼板中钢筋锚固在边梁或墙体内,与转换层相邻楼层的楼板也适当加强,板厚采用150mm。
4. 结构计算
(1)框支剪力墙结构的内力分析分两步:首先采用三维空间方法进行整体结构的内力分析,得到各构件的内力和配筋;然后对转换梁(框支梁) 附近楼层进行平面有限元分析,取得详细应力分布,然后决定转换梁(框支梁) 和附近墙体内的配筋,平面有限元分析的范围选取底层框架和框支层以上4层的墙,底层框支梁柱的有限单元按300划分,在梁柱全截面高度下划为五等分,上层墙体结合洞口位置均匀划分。
(2)内力分析后,应对楼层剪力作如下调整:
1)底层落地剪力墙承担该层全部剪力;
2)底层框支柱承担20%~30%的底层剪力,其分配原则应按下表1进行。
框支柱剪力调整后,应相应调整框支柱的弯矩及柱端梁(不包括转换梁) 的剪力、弯矩,框支柱的轴力可不调整。
(3)分析结果说明,框支梁大多数情况下为偏心受拉构件,并承受较大剪力,框支梁上墙体开有边洞时,形成小墙肢,此小墙肢的应力集中尤为突出,而边门洞部位框支梁应力急剧加大, 在水平荷载作用下,上部有边门洞框支梁的弯矩约为上部无边门洞框支梁的弯矩的3倍,剪力也约为3倍,因此在设计时,除小墙肢外,边门洞部位的框支梁的抗剪能力也应加强,箍筋应加密配置,本工程设计时,采用梁端加腋的方式提高抗剪承载力,并加密箍筋。
5. 构件配筋
(1)框支梁大多数为偏心受拉构件,本工程设计框支梁上、下实际纵向配筋率分别为0.92%~1.43%不等,并保证至少大于50%的支座上部纵向钢筋沿梁全长拉通. 箍筋配筋率最小达到1.2%,箍筋直径为Φ14。
(2)框支柱在严格控制轴压比的情况下,柱内全部纵向钢筋配筋率分别为1.82%~2.35%不等,箍筋配筋率最小达到2.1%,箍筋直径为Φ16,并采用井字复合箍沿柱高方向全高加密。
6. 结束语
转换层结构较为复杂且工程量又较大,因此设计时首先应注重概念设计,这样一来可以少走弯路;其次通过上述计算和分析可以得知,此类建筑在平面布置上应尽可能的规则、对称,减少偏心,优化调整转换层上下结构的布置和刚度,使之接近是十分必要的。在设计时,尽量考虑施工的可行性,以达到最为合理的设计。
参考文献:
[1]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.
[2]谢晓锋. 高层建筑转换层结构型式的应用现状及问题[J].广东土木与建筑,2004.
[3] 《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3—2010).
[4]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.