高层建筑梁式转换层的结构设计及应用
摘要:本文介绍了梁式转换层高层建筑在结构整体、转换层及转换大梁三个部分的计算要求,阐述了对转换层及其附近层的结构构件的设计建议。
关键词:高层建筑&&
梁式转换层&
1 计算要求
　整体结构分析计算
高层建筑结构中,转换层只是其中的一个部分,在进行内力分析前,必须先对整个结构做整体计算分析。可分别按空间协同工作分析方法和三维空间分析方法进行整体内力与位移计算,此时转换构件可作为结构的一部分参与整体计算。由于带转换层的结构,结构布置沿竖向变化明显,竖向刚度不均匀,故结构布置时需运用概念设计、力学原理、以往工程的经验、工程试验的结果等综合考虑布置加强点及冗余杆件。此类工程结构计算时多选用三维分析、协同工作和平面有限元等结构软件加以计算。。
　转换大梁的设计
梁式转换层的设计构造要求:
第一,转换层楼板要将上层结构的水平剪力传递到下层抗剪结构上去,本身承受很大的平面内剪力,同时又承受部分竖向荷载,因此要求楼板要有足够的强度和刚度。第二,转换层大梁是承托上部剪力墙或柱传下来竖向荷载的重要构件,本身受力很大,它是整个结构抗震安全的关键部位。因此,转换大梁的设计在整个转换层结构的设计中至关重要。
2 &转换层结构的构件设计
为了保证结构具有足够的延性,框支柱的轴压比要严格控制,这使得框支柱比一般的框架柱有更大的延性和抗倒塌性能。框支柱轴压比:μN = Nmax/ ( fcbh0)
&&&&&&&&&&&&&&
式中: Nmax
—框支柱最大组合轴力设计值(包括地震作用下轴力调整) ;
—框支柱混凝土抗压强度设计值;
—框支柱截面的宽度;
—框支柱截面的有效高度。
一级抗震时,
框支柱的轴压比控制在0.7
二级抗震时,应该控制在0.75
以下;三级抗震时,
以下;非抗震设计时,控制在0.85
以下。箍筋沿柱全高加密并采用复合箍筋,且不少于Ф10 @100。框支柱应有部分纵筋伸至框支梁以上的墙体内,延伸长度等于层高以加强上下层的可靠连接
因为框支梁的受力很大且受力情况复杂,它不但是上下层荷载的传输枢纽,而且是保证框支剪力墙抗震性能的关键部位,是一个复杂的受力构件,故设计时应设有较多冗余储备。宜在结构整体计算后,按有限元方法进行详细分析,分析和试验结构表明,在竖向荷载和水平荷载作用下,框支梁大多数情况下为偏心受拉构件,并承受很大的剪力,因此《高层建筑混泥土结构技术规程》规定了对框支梁截面高度的设计要求及框支梁截面组合的最大剪力设计值的限制条件。在竖向荷载作用下,梁端往往首先破坏,所以必须加强构造措施,伸入支座的钢筋在柱内应有可靠的锚固;负钢筋伸入梁下皮以下要大于45d
。框支梁不宜开洞,开洞时应做局部应力分析,要求开洞部位远离框支柱边,开洞部位要加强配筋构造。
由于结构上部的水平剪力要通过转换层传到下部结构,转换层楼面在其平面内受力很大,楼板变形显著,因此要适当加厚转换层楼面,建议采用厚度不小于180mm
的现浇板,这样有利于转换层在其平面内进行剪力重分配,并加强转换大梁的侧向刚度和抗扭能力,也可使实际情况更符合结构整体计算中楼层刚度无限大的基本假定。而且混凝土强度& C30 ,并采用双向双排钢筋网,每排钢筋的配筋率& 0.25 % ,必要时,转换层混凝土加1 %的钢纤维则抗力效果更佳;它不仅可以使同一等级的混凝土抗剪强度提高45 % ,而且可以有效的提高混凝土的抗裂性能
。转换层楼板不宜有大的开洞,当开洞时应在洞口四周设置次梁暗梁,楼板开洞位置尽可能远离外侧边,与转换层相近的楼板也应加强。若必须在大空间部分设置楼、电梯间时,应用钢筋砼墙围成筒体。
3 &设计实例
某工程为商住合一的高层建筑,地震设防烈度为七度，建筑高度为70.77m,地上部分工24层,一～三层为商业用房,四至二十四层为住宅；两层地下室，层高4.5m。二层商业用房部分为:底层层高4.5m，二层层高4.65m,住宅部分层高为2.8m.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、楼梯间等公共部分)
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。
　结构选型
结构转换层的类型很多,对于此工程来说,。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。
　转换层结构布置
由于上部住宅空间划分很多,所以在转换层需要设置为二次转换,即设置转换主梁和次梁;同时设置了部分短肢剪力墙以满足建筑功能要求,。
　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:
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,
转换层以下及以上两层核心筒及剪力墙厚度300mm ,
混凝土等级C45 ；其余为200 mm，混凝土等级C35～C25
。为了保证结构有一定的抗扭刚度，满足规范对扭转比的要求,因此对结构外围位置的剪力墙适当加长，局部增设短肢剪力墙,同时减弱了内部部分剪力墙的长度，使刚心和质心尽量重合,大大提高了抗扭刚度,最终达到了扭转周期比和扭转位移比限值的要求。
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200 mm ,双层双向配筋,每层每方向的配筋率为0.25 % ,尽量不采用大降板，大大加强了整体性。
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,避免使用一字型。
为加强转换层的整体协调能力,在转换层楼面上周边及内部非门洞口的地方做一些矮墙,墙高伸至窗台底面。作为一种安全储备,在计算中未考虑该段墙。
　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. 15 f cbh/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 ,转换梁的最大净跨度为7. 5m ,大梁截面尺寸为900 mm
&2100 mm ,800 mm
&1800 mm ,600 mm
&1500 mm。梁宽度不小于上部墙体厚度(200 mm) ,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:1000 mm
&1200 mm ,1100 mm
&1100 mm ,1000 mm&1000 mm。
另外,对于一些结构构件采取以下构造措施:
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。
对于二次转换梁,集中荷载引起应力更加复杂,在相应梁端处增设加腋,作为抗剪的安全储备。
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，在带有梁式转换层的高层建筑设计中,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。
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柱的弯曲、剪切、轴向、扭转变形；
墙的弯曲、剪切、轴向、扭转变形。【】 责任编辑：soso
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