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2017-11-24 16:07:52 | 分类:结构专业 | 标签:结构专业,建筑专业

    在同一座建筑中,沿同一高度方向建筑功能经常要发生变化,上部布置小开间的旅馆、住宅;中部作为办公用房;下部楼层则要求提供商场、餐饮、娱乐等尽可能大的空间,所以从建筑功能上说,从上部到下部,其柱网、间隔要求是“从密到稀”。而从结构功能来看,由于高层建筑结构下部楼层受力很大,上部楼层受力小,正常的结构布置应是下部刚度大,墙体多、柱网密,从上到下柱网及间隔要求是“从稀到密”,而若按照这般设计,结构的正常布置与建筑功能对空间的要求则正好相反。因此,为了满足建筑功能要求,结构设计必须进行一定的“反常规设计”,即将上部布置为小空间、下部布置为大空间;上部布置刚度大的剪力墙,下部布置刚度小的框架柱,为了实现这种结构布置,则需要在结构转换的楼层设置水平转换构件,即转换层结构。



一、转换层分类

    1.根据结构功能分类

    按照转换层结构功能的不同,一般可分为以下三类:

    (1)建筑上、下部分之间结构类型的转换,转换层将上部剪力墙转换为下部框架,以创造一个较大的内部自由空间。这种转换层广泛用于剪力墙结构和框架剪力墙结构中;

    (2)建筑上、下部分之间柱网、轴线的改变,转换层上、下部分结构形式没有改变,而是通过转换层使得下部结构柱距扩大,形成大柱网。这种转换层常用于外框筒的底部形成大入口的情况;

    (3)同时转换结构形式和结构轴线位置,上部楼层剪力墙结构通过转换层改变为框架的同时,柱网轴线与上部楼层轴线错开,形成上、下结构错位的布置。

    2.根据转换层结构类型分类

    而一般来说,为了便于根据转换层本身结构类型来分析和计算建筑结构整体,根据转换层结构形式,转换层归纳为四种基本型式:梁式、桁架式(及空腹桁架式)、箱式和厚板式。 

    梁式结构的转换层一般在转换层的楼面设置纵横交错的钢筋混凝上承重大梁,当需要纵横墙同时转换时,则需设置双向转换梁,它多用于框支剪力墙结构即上层为剪力墙结构下层为框架结构的转换。

二、转换层设计理念及要点

    1.设计原则

    1.1.保证刚度

    转换结构可根据其建筑功能和结构传力要求,沿高层建筑高度方向一处或多处灵活布置(也可根据建筑功能的要求,在楼层局部布置转换层),且自身的这个空间既可作为正常使用楼层,也可作技术设备层,但应保证转换层有足够的刚度,以防止沿竖向刚度过于悬殊。

    当建筑物较高柔(例如框架筒体结构),整体刚度有可能不足时,在结构竖向的一定部位设置水平刚性楼层(即加强层),人为地加强结构的整体弯曲效应,这时转换层可同建筑物的加强层、设备层等统一考虑。对大底层多塔楼的商住建筑,塔楼的转换层宜设置在裙房的屋面层,并加大屋面梁、板尺寸和厚度,以避免中间出现刚度特别小的楼层,减小震害。

    1.2.竖向结构落地

    布置转换层上下主体竖向结构时,注意使尽可能多的上部竖向结构能向下落地连续贯通,尤其框架核心筒结构中核心筒应上下贯通,使传力更为直接。布置转换层上下主体竖向结构时,注意尽量使水平转换结构传力直接,尽量避免多级复杂转换,慎重采用传力复杂、抗震不利的平厚板转换,如上下柱网确实无法对齐时,尽量采用箱形转换。

    1.3.优化转换层

    转换结构构件在平面上的布置,必须与相邻层柱网统一考虑。结构抗震设计时,当建筑功能要求不得已采用高位转换时,转换结构还得优先选择不致引起框支柱柱顶弯矩过大、柱剪力过大的结构形式,如斜腹杆析架(包括支撑)、空腹析架和宽扁梁等,同时应注意其满足强度刚度要求。

    1.4.强化下部、弱化上部

    为保证下部大开间整体结构有适宜刚度、强度、延性和抗震能力,应尽量强化转换层下部主体结构刚度,弱化转换层上部主体刚度。对于带转换层的剪力墙结构或筒体结构,可采取以下措施:强化下部结构,加大筒体及落地墙厚度、提高混凝土强度等级、必要时可在房屋周边增置部分剪力墙、壁式框架或楼梯间筒体、提高抗震能力;可采取以下措施弱化上部剪力墙:不落地剪力墙开洞、开口、减小墙厚等,并尽量避免高位转换。

    2.设计要点

    2.1.控制刚度比

    刚度比主要为了控制转换层结构的竖向规则性,以免竖向刚度突变,形成薄弱层。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%或其上相临三层侧向刚度平均值的80%,以更加灵活和自由的设计方式使得设计的思路可以得到不断的完善,满足实际使用的需求。以一般的梁式转换层而言,虽然转换层框支柱在与框支梁的内交角处有明显的应力集中现象,但无论是在垂直荷载或是水平荷载作用下,除柱端截面以外,框支柱的弯矩和剪力都比较小,框支柱主要承受轴压力,转换层以上墙体的垂直荷截不能借助楼板平面内的刚度传递给落地剪力墙。

    2.2.结构布置

    带转换层结构的结构布置除了应符合《建筑抗震设计规范《高规》等对于建筑结构的平面及竖向布置的规定外,还应满足以下规定:

    1) 不应对边榀剪力墙进行框支转换;不应在结构底部抽取角柱,形成托柱转换,不应在角部剪力墙的底部开设转角大洞形成框支转换。

    2) 纯框架结构抗侧刚度小,地震力作用下侧向变形大,下部为大空间且带转换层框架下柔上刚在地震力作用下非常容易破坏,所以必须设置落地剪力墙来提高建筑物抗震性能。

    落地剪力墙和框支柱应符合下列条件:

    a.落地剪力墙应对称、成对布置,优先采用型钢混凝土剪力墙,相对普通混凝土剪力墙,型钢混凝土剪力墙抗震性能好,耗能系数高,减少了截面面积,提高了承载力,能有效降低层最大剪力、最大位移和层间位移角。

    b.框支柱可以选用型钢混凝土柱、钢管混凝土柱、柱内部设置芯柱的钢筋混凝土柱,这些柱能有效降低轴压比,具有承载力大,延性好的优点。

    c.转换层周围楼板不应错层布置,不应在大空间范围内开大洞口。楼梯间、电梯间处周围的落地剪力墙应围成筒体。

    3) 转换层上下结构刚度的突变对建筑物抗震非常不利,结构设计时首先应该增强转换层下部结构的抗侧刚度,同时减小转换层上部的抗侧刚度,最终要使转换层上下结构刚度相差不大。抗震设计时,结构的地震作用效应不仅与刚度有关,还与其质量有关。结构的动力性能取决于结构质量、阻尼和刚度。在转换层结构中,转换层一般集中较大的质量,其质量对下部结构的动力特性影响较大,但对上部结构的动力特性影响较小,结构设计中采用的等效抗侧刚度比意义就不大了。转换层位置越高,转换层上下部结构在地震作用下的变形效应越大,转换层上下部结构等效侧向刚度比的作用更加有限。

    综上所述,根据地震作用效应来控制比较合理,可采用转换层下、上层结构层间位移角比来控制转换层下上部结构构件内力和位移突变。转换层上下结构层间位移角比能准确反映转换层上下部结构楼层侧向刚度比、质量比、楼层层间抗侧力结构的受剪承载力比,对抗震设计有重要的意义。

    2.3.楼盖结构

    2.3.1.楼盖作用及选型原则

    楼盖对于建筑结构作用非常重要,作用如下:

    1) 承受竖向荷载,将竖向荷载传递给梁、柱、墙、基础。

    2) 提供足够的面内刚度,传递水平荷载到各个竖向抗侧力构件,使得整个结构协调工作。

    楼盖的选型原则: 

    1) 应有足够的承载力和面外刚度。

    2) 应有足够的面内刚度,且整体性好。

    3) 楼盖自重要轻。

    2.3.2.楼盖构造

    1) 转换层楼板在平面内承受并传递很大的内力,其面内刚度大小对大空间层竖向构件的内力分配影响很大,所以楼板应当加厚,厚度不小于180cm,且应双向双层配筋,楼板中的钢筋应锚固在边梁或墙体中,楼盖建议选用双向组合梁楼盖,这种楼盖自重轻,抗震性能好,能有效发挥钢梁抗拉和混凝土抗压作用。

    2) 顶层楼板厚度不小于120cm,加厚顶层楼板可有效约束整个高层建筑,使其能整体工作;普通地下室顶板厚度不小于160cm;作为上部结构嵌固部位的地下室的顶层楼板应采用梁板结构,厚度不小于180cm,混凝土强度等级不小于C30,采用双向双层配筋。

    3) 采用预应力楼板时,应考虑合理的施工方案,采用板边留缝以张拉和锚固预应力钢筋,或者在板中部预留后浇带,待张拉预应力钢筋后再浇筑。

    4) 工程实际表明:在楼板上开楼梯间、电梯间、管道井以及厨房、卫生间等的小洞,只要洞口均匀分散,则楼盖在自身平面内仍具有足够的刚度和良好的整体性,能很好的传递水平荷载,可以按照自身平面内刚度为无限大的假定来分析建筑结构的内力和位移。

    5) 设计中应避免在剪力墙两侧楼板开洞。由于假定楼板刚度无限大,计算中认为已发挥作用,但由于剪力墙两侧楼板全部开洞,造成楼板并不能将水平力有效传递给此片剪力墙,实际受力和计算假定差异很大,可能会引起其他抗侧力构件的承载力不安全,所以应使楼板洞口尽可能小,并应采取其他有效构造措施

保证水平力能可靠地传递到该片剪力墙上。

    6) 楼板开大洞削弱后,可采取以下构造措施:加厚洞口附近楼板,提高楼板的配筋率,采用双层双向配筋,每层、每向配筋率不少于0.25%;洞口边应设边梁、暗梁,暗梁宽度为板厚的2倍,纵向钢筋配筋率不小于1%;在楼板洞口角部集中配置斜向钢筋。

    2.3.3.整体转换和局部转换

    整体转换就是某一层全用作转换,局部转换就是某一层仅局部用来转换。

    整体转换缺点明显:间接传力,传力路径不直接,结构被转换层分为上下两部分,上下结构刚度发生突变,结构抗震性能差,地震力作用下容易形成薄弱层,大震时易倒塌。局部转换同样存在间接传力、传力路径复杂的缺点,但由于只是楼层局部用来转换,楼层刚度变化不明显,结构整体侧向刚度变化不大,故而局部转换对建筑的抗震性能影响不大。

    由框支剪力墙和其他落地剪力墙满足一定间距要求组成的底部大空间部分框支-剪力墙结构,当地面以上的大空间层数越多即转换层位置越高时,转换层上下刚度突变越大,层间位移角的突变越大,结构的扭转也严重。同时造成落地墙或筒体易受弯产生裂缝,引起框支柱内力增大,转换层上部的墙体易于破坏,不利于抗震。

    整体转换时,转换层的高度对建筑结构抗震性能影响很大,相对而言,转换层越高,转换层以下各层构件的受力越不合理,延性越差,因此,剪力墙底部加强部位越高,对构件的抗震等级要求越高。

    总之,整体转换时,对转换层楼板及相邻层楼板的面内刚度和整体性有很高的要求。而对局部转换结构,对楼板的这个要求是局部性的,只要满足局部转换部位的水平力传递和整体性要求即可。

转换层设计理念及要点



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