高层建筑梁式转换层设计探究

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高层建筑梁式转换层设计探究　　摘要:高层建筑转换层结构是建筑工程的重要组成部分，其设计效果直接影响到建筑物使用功能的有效发挥。本文通过介绍梁式托柱转换梁破坏形式，结合工程应用实例探讨了高层建筑梁式转换层的设计工作，并针对转换层设计中存在的问题提出一些建议，以供同行借阅。关键词:高层建筑；转换层；刚度算法；设计中图分类号：TU208.3文献标识码：A文章编号：随着我国城市化进程的不断加快，城市建筑用地日趋紧张，为满足人们对建筑物功能的需要，许多高层建筑逐渐向大型化、多功能化和现代化的趋势发展。目前，一些建筑物某楼层的上部与下部因平面使用功能及结构布置不同，往往需要在结构形式不同的上下部采用一定的结构形式进行转换处理，而这种起到转换处理作用的楼层就被称作转换层。转换层结构设计可以实现建筑从小开间的住宅到中等开间的写字间，再到大空间的商场的变化需要，能够较好地满足当前人们对建筑物使用功能的需要。转换层常用的结构形式包括梁式、空腹桁架式、斜杆桁架式、箱形和板式。本文着重分析了梁式转换层的设计工作，提出一些个人见解，希望对类似研究工作有所帮助。1梁式托柱转换梁破坏形式8 《高规》中规定:转换梁截面高度，抗震设计时不应小于计算跨度的1/6，非抗震设计时不应小于计算跨度的1/8。假定梁跨度9000mm、截面高度H=1500mm、截面宽度B=500mm、受拉纵筋面积8φ25、受压纵筋面积8φ22、箍筋面积φ8@150，均布力F=2×106N/m2，受荷面积600mm×500mm，混凝土采用C35，Ec=3.15×1010N/m2，ft=1.57@106N/m2。计算模型如图1所示。图1计算模型由上述分析可以看出转换梁在集中力作用下是梁端先发生破坏并不是跨中集中力作用处，并且出现的是竖向裂缝而不是倒八字型裂缝。可见转换梁跨中并不发生剪切破坏。因此对于梁式托柱转换梁柱底不必用附加吊筋与密箍来提高抵抗剪切破坏的能力。可以类比的是，基础多桩承台设计时，只要桩承台满足柱与桩的剪切和冲切承载力要求就不设柱底和桩顶密箍与吊筋。在《高规》中已严格规定了转换梁截面高度，保证了梁的剪切和冲切承载能力，转换梁在集中力作用下不设置吊筋和密箍是合理的。2转换层结构侧向刚度算法的选择8 带转换层高层建筑侧向刚度突变的主要因素:功能使用的需要，转换层下部层高相对上部层高高出2～3倍，层高变化大；竖向构件不连续，结构转换。计算分析和地震震害均表明，侧向刚度突变的结构容易形成抗震薄弱部位，引起内力和位移突变，造成局部破坏甚至倒塌等严重后果。抗震设计时，我国《高规》对结构侧向刚度变化规定为:(1)抗震设计的高层建筑结构，其楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的70%或其上相邻3层侧向刚度平均值的80%，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%。(2)底部大空间为1层时，可近似采用转换层上、下层结构等效剪切刚度比Y表示转换层上、下层结构刚度的变化，Y宜接近1，非抗震设计时Y不应大于3，抗震设计时Y不应大于2。(3)底部大空间层数大于1层时，其转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比Ye表示转换层上、下层结构刚度的变化。Ye宜接近1，非抗震设计时Ye不应大于2，抗震设计时Ye不应大于1.3。上述三种刚度的定义方法不同，刚度比的限值也不同，对于同一结构用3种刚度算法也不一样。在用SATWE程序设计时，当选用剪切刚度算法和剪弯刚度算法，往往不能满足第一条(地震剪力与地震层间位移的比)，提示结构出现薄弱层。大多数设计人员为了满足要求，增大剪力墙的厚度或柱的截面来提高结构的抗侧刚度，这样做是不合理的。因为以上3条代表的是3种不同的刚度算法，不同算法有不同的刚度比。8 例如:假定一个结构在二层转换，以上几层结构布置一样、层高一样，转换层所在的下部层高是上部层高的3倍。根据规范要选择剪弯刚度算法。设转换层下部两层刚度均为K1，转换层下部的刚度为K1/2；上部层刚度均为K2，转换层上部三层的刚度为K2/3。由第一条规定得:K1/(0.8@K2)>1即:K2/K1＜1.25由第三条规定得:Ce=(K2/3)/(K1/2)＜2.5/3=0.833但规范要求Ce宜接近1，非抗震设计时Ce不应大于2，抗震设计时Ce不应大于1.3。这样造成结构设计的不合理，材料上的浪费。因此要认清刚度算法选择和适应范围。下文通过实际工程说明对刚度算法选择的重要性及设计步骤。图21、2层结构平面布置图3转换层以上结构平面布置图某住宅小区临街建筑，1、2层平面布置如图2，为商铺、会所。地上3～18层为住宅，地下1层为停车场，转换层在2层处。转换层高度为1600mm，1层层高5500mm、2层层高(包括转换层)6500mm、以上住宅层高2800mm。整体结构是大地盘多塔结构，地下室顶板作为嵌固端。以其中一单体为例:因为1层为小区入口(走廊)只在Y方向布置剪力墙。8 转换层下部框支柱1000mm×800mm、剪力墙墙厚h，均匀布置四片剪力墙；转换层上部柱400mm×550mm、剪力墙墙厚240mm布置在单体两侧。分别计算转换层下部剪力墙墙厚h为350mm、400mm、450mm、500mm对结构抗侧刚度影响。计算结果，如表1所示。表1SATWE计算结果由表1可知:(1)随着剪力墙增厚，在地震作用下结构的层间位移角与最大位移并没有发生多大变化，反而X向的层间位移角是增大而不是减小。这是由于结构只在Y方向有剪力墙存在，X方向没有剪力墙，在剪力墙增厚的同时，结构的刚度增大、地震力加大，引起了X方向层间位移角加大。(2)根据层间位移角没有发生多大变化，说明了结构在3层处并没有发生刚度突变，所以用增大墙厚来满足所谓的/薄弱层0是不科学的，也是不合理的。分析得出，高层建筑结构层抗侧刚度比分析步骤为:(1)在结构形式确定以后，用“地震剪力与地震层间位移的比”算法调整结构的层间刚度比达到合适值，一般为1.25～2.5。(2)再根据转换层的位置确定是用“剪切刚度”算法或者“剪弯刚度”算法，来调整转换层上下刚度比。3SATWE中框支柱剪力的人工调整(0.2Q0)8 在SATWE程序中，框架总剪力的调整是按照《高规》条文8.1.4执行的，显然在某些情况下对带转换层的高层建筑结构偏于不安全，留下安全隐患。在《高规》10.2.7条文对框支柱承受的地震剪力有更严格的规定。条文如下:“带转换层的高层建筑结构，其框支柱承受的地震剪力标准值应按下列规定采用:(1)每层框支柱的数目不多于10根的场合，当框支层为1～2层时，每根柱所受的剪力应至少取基底剪力的2%；当框支层为3层及3层以上时，每根柱所受的剪力应至少取基底剪力的3%；(2)每层框支柱的数目多于10根的场合，当框支层为1～2层时，每层框支柱承受剪力之和应取基底剪力的20%；当框支层为3层及3层以上时，每层框支柱承受剪力之和应取基底剪力的30%”。下面根据工程实例说明在SATWE程序中如何干预框支柱的剪力调整。例:某工程为带转换层的高层，框架剪力墙结构，共19层，有一层地下室，转换层在地面一层。0.2Qox=460.40，1.5Vxmax=594.640.2Qoy=499.52，1.5Vymax=264.93(1)人工干预前，0.2Q0调整系数如表2。表2人工干预前012Q0调整系数(2)调整系数计算公式见表3。表3调整系数计算公式(3)人工干预后的012Q0调整系数如表4。8 表4人工干预后的012Q0调整系数在SATWE程序中调整系数最大值定为2.0，对地下室或框架柱相对剪力墙较少的结构层是合理的。因为在地下室层有侧限存在，柱的承受的剪力很小，如果还是按0.2Q0调整的话，放大系数会很大，从而导致端部弯矩会非常大，要很大截面才不超筋，计算非常不合理；在有些缩进结构层中，柱相对剪力墙来说少，不能通过调整0.2Q0来达到两道抗震设防标准，甚至当柱很少可以不进行剪力调整，放大系数为1.0。因此在作剪力调整时要根据实际情况调整系数，符合真实情况，满足工程需要。4主要结论通过探讨高层建筑梁式转换层设计工作，可以得出以下几点结论：①规范对转换层的截面高度作出了严格的规定，转换梁柱下可不附加吊筋，也能够满足抗冲切验算；②针对设计中薄弱层存在的误区，提出了合理的设计步骤；③框支柱比一般的框架柱设计要严格，在使用SATWE程序设计时需要人工干预，并给出了调整系数计算方法。参考文献[1]陈定聪.梁式转换层高层建筑的结构设计探讨[J].中国房地产业.2012年第07期[2]8 马延生.谈高层建筑梁式转换层结构设计[J].城市建设理论研究.2013年第02期8