某高层建筑结构转换层设计分析
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某高层建筑结构转换层设计分析
摘要:文章介绍了某高层建筑的结构方案,根据其建筑使用功能的要求,采用底部大空间框支剪力墙结构。
在构造上加强转换层及其上下层的刚度和构造措施,在计算模型上从严控制周期、位移、扭转、轴压比等相关结果,还选取了两条实际地震波和一组人工模拟地震波进行了弹性动力时程分析,计算结果满足相应规范要求。
本文对该方案的计算模型、转换层的设计和构造及内力分析做了简要介绍。
关键词:高层建筑;剪力墙;转换层
一、工程概况
某工程场地位于深圳市宝安新中心区,总建筑面积为
206371.86m2,包括:住宅部分首层架空,转换层以上为24层、26层、27层住宅。
本工程设一层地下室和两层车库,地下一层局部设核六级人防及设备用房,平时用作停车库。
本工程设计使用年限为50年,建筑抗震设防类别为丙类。
建筑结构的安全等级为二级。
二、工程地质情况
本工程场地位于深圳市宝安新中心区,此地段地貌单元属海漫滩,后经人工填海,原始地貌已改变。
拟建场区土层自上而下依次为:人工填土层,厚度为0.60~
8.10m;第四系全新统海漫滩沉积淤泥,厚度为0.90~14.50m;第四系晚更新统冲洪积层,分为粘土(厚度为0.80~8.10m)、淤泥质粉质粘土(厚度为0.60~6.70m)、砾砂层(厚度为0.80~20.40m);
第四系残积砂质粘性土,厚度为1.00~15.30m;震旦系混合岩,分为全风化(厚度为1.60~14.90m)、强风化、中风化、微风化。
地下水位埋深为0.10~1.60m。
场地地下水在强透水性地层中对混凝土结构具弱腐蚀性,在弱透水性地层中对混凝土结构具弱腐蚀性;对混凝土结构无腐蚀性。
抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度0.10g,特征周期
0.45s,场地类别为iii类。
三、荷载计算
1.基本风压值wo,按100年一遇的风压值取0.9kn/m2,建筑物地粗糙度类别为b类。
计算风荷载作用下结构水平位移时,基本风压值wo可按50年一遇的风压值取0.75kn/m2。
2.结构风载体型系数简图及取值。
按《建筑结构荷载规范》gb5009-2001取值,风载体型系数取1.4。
3.楼面活载取值
地下室顶板有覆土时,考虑施工时活荷载不与覆土荷载同时考虑,计算取两者较大值。
4.30吨消防车作用于多跨单向板的等效均布活荷载
qe=35.0kn/m2
双向板的等效均布活荷载qe=20.0kn/m2
四、结构设计分析
(一)上部结构选型及基础选型
本工程因建筑功能需要,上部小空间,下部大空间,上部部分竖向构件不能直连续贯通落地,而通过水平转换结构与下部竖向构件连接,因此本工程建筑基本为带转换层高层建筑结构。
目前,实际工程中应用较多的转换层结构形式主要有四种基本结构形式:梁式、桁架式、箱形、厚板式。
各栋住宅塔楼均采用底层大空间部分框支剪力墙结构,转换层结构形式主要为梁式。
二栋1、2、3、4、5、6、7、8、9座楼均在三层转换,其框支柱抗震等级为特一级,框支梁抗震等级为一级,底部加强部位剪力墙抗震等级为一级,非加强部位剪力墙抗震等级为二级;三栋在五层转换,其框支柱抗震等级为特一级,框支梁抗震等级为一级,底部加强部位剪力墙抗震等级为一级,非加强部位剪力墙抗震等级为二级。
五栋、六栋、七栋为三级框架。
基础采用锤击预应力砼管桩基础,桩端持力层为全风化混合岩。
楼盖采用普通梁板式结构,局部采用大开间厚板。
塔楼外纯地下室采用框架结构,抗震等级为三级。
基础采用锤击预应力砼管桩基础,桩端持力层为全风化混合岩。
二层顶板采用预应力砼梁板式结构,其他均采用普通梁板式结构。
埋深与建筑物总高度比值: 1/20~1/18。
本工程基础设计等级为甲级。
结构底部加强部位:各塔楼框支转换层以下,框支转换层以上2层及落地抗震墙总高度的1/8二者的较大值,且不大于15m。
(二)地下室部分
承台及基础底板为加强整体刚度,在塔楼核心筒部分采用厚
1.8m的承台底板,塔楼周边柱及裙房部分采用板式底板结构,底板厚度采用700厚,内设加强板带。
考虑到砼的收缩及沉降差异,在塔楼和裙房间沿地下室纵横向每隔40~50m设置若干道施工后浇带,带宽1000,后浇带用微膨胀砼浇捣,砼强度等级比所在层混凝土高一级(0.5mpa)。
后浇带采用钢板止水构造。
地下室外墙厚为350、400mm,抗渗等级为p8,砼强度等级c35。
地下室顶板厚180mm,砼强度等级c35;二层预应力顶板厚250(非预应力顶板厚160),砼强度等级c40。
五、结构设计分析结果
本工程采用中国建筑科学研究院pkpmcad工程部编制的《高层建筑结构空间有限元分析与设计软件》satwe(2006.10)进行分析计算。
计算时柱脚从-1层起计计算结构层数。
计算时地下室顶板作为嵌固端。
计算结果如表1所示。
表12栋1座楼住宅( 24层)前六个结构计算周期
转换层位于三层,转换层上下刚度比为:
x方向:0.9839y方向:1.4582
结论:2栋1座楼周期、位移均正常。
六、结构设计总结
转换结构层具有与一般结构层相比结构重量大、结构层刚度大、
几何尺寸超大、受力复杂等特点。
这样的尺寸和重量意味着转换结构组成了建筑物的主要构件。
它们设计的是否合理、安全、经济对整个结构的安全性、结构造价、施工费用等有着重要影响。
因此要对转换层结构的受力特性、截面选择、设计计算方法以及配筋构造等进行深入研究,为工程设计、施工提供指导。
以下几点应在高层建筑转换层设计中重点考虑。
(一)尽可能降低设置结构转换层所在楼层的高度
建筑属复杂的高层建筑,其结构竖向刚度存在一定程度的突变,且转换层上下附近的刚度、变位和内力都会发生突变,易形成薄弱层,对抗震不利。
所以,设置转换层应坚持转换层位置宜低不宜高的观点。
尽量降低转换层的层位,尤其抗震结构设计,宜避免高位转换,三层以下为宜,一般不超过六层。
(二)上下轴网尽可能对齐不错位
如果结构上部、下部的轴网全部错位,则转换层结构可能只得采用厚板式,厚板式转换层结构是所有转换层结构中缺点最多的一种形式。
不仅受力不好,设计难度高,施工困难,而且极不经济。
为避免采用厚板式转换层结构,尽可能采用梁板式或其他形式的转换层结构,其必要条件就是上下轴网部分对齐,轴网对齐的比例越高,转换层结构的设计就越简单容易,结构受力更明确,经济效果更好,这方面有赖于结构与建筑方案的密切配合和协调。
(三)合理布置框支柱、剪力墙
结构转换层的高层建筑,不论采用何种结构体系,都必须保证
部分剪力墙直接落地;转换层下面的框支柱的柱距疏密均匀,框支柱与剪力墙(通常是核心筒)的距离位不宜太大(控制在12m以下)。
转换层以上的剪力墙应采用大开间布置。
强化下部,保证下部大空间结构有足够的刚度、强度、延性和抗震能力。
转换层的平面须比轴规则,保证转换大梁的刚度和出平面外的稳定性。
(四)分析时考虑结构整体计算外加局部应力
转换层的结构型式与普通杆件或薄壁杆件差别很大,形状复杂,内部应力集中,受力复杂。
因此,设计中在整体计算控制的前提下,对转换层转换构件的分析需采取其它有限元分析程序作补充计算,最好直接选用以墙元或有限元分析为原理的计算程序进行设计,详细分析其各处的应力,按有限元计算结构进行配筋。
总之,在高层建筑转换层设计中,须根据工程本身特点和验算中受力状态的不明确等因素,选择科学合理的设计方案,确保方案设计的全面性、科学性,减少施工的风险和难度。
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