收稿日期:2002-04-15
基金项目:南昌大学基础理论基金项目
作者简介:熊进刚,男,1970年生,博士. 文章编号:1006-0456(2002)04-0015-04
带结构转换层的高层建筑结构设计
熊进刚,李艳
(南昌大学土木工程学院,江西南昌330029)
摘要:本文简要介绍了高层建筑中结构转换层的功能、主要型式、特点及工程应用,并结合厦门市某带梁式转
换层的高层建筑,介绍了其结构转换层的方案选择、结构布置、结构整体分析与计算、转换梁的设计及有关构造要
求,供设计和研究人员参考.
关键词:结构转换层;转换梁;高层建筑
中图法分类号:TU 973+.12 文献标识码:A
1 概述
近二、三十年来,国内外高层建筑发展迅速,上部是住宅、旅馆,中部为办公用房,下部用作商场、餐馆等,多功能及综合性用途的高层建筑已经愈来愈多.楼层建筑功能的改变,往往需要改变竖向结构型式或改变柱网、轴线,甚至两者都改变.这样,在竖向结构体系发生变化的楼层就要设置转换层(transfer floor ),转换层也称为过渡层.
2 结构转换层的功能和主要型式
2.1 结构转换层的功能
从结构功能的角度看,转换层所实现的结构转换可以归纳为以下三类.
1)结构型式的转换.这种功能被广泛应用于框—剪结构和剪力墙结构,结构转换层将上部剪力墙转换为下部框架,如图1所示,给下部楼层创造一个较大的内部空间.
2)柱网、轴线的转换.转换层的上、下部结构型式没有改变,但通过结构转换层,使下层形成大柱网,如图2所示,以满足外框筒的下层形成较大入口和较大空间的需要.
图1 结构型式的转换 图2 柱网、轴线的转换 图3 梁式转换层
3)结构型式和轴线布置同时转换.上部楼层剪力墙通过结构转换层改变为框架,同时,下部楼层柱网轴线与上部楼层的轴线错开,形成上、下部结构不对齐的布置.
2.2 结构转换层的主要型式
第24卷第4期
2002年12月南昌大学学报(工科版)Journal of Nanchang University (Engineering &Technology )Vol .24No .4Dec .2002
1)梁式转换层.梁式转换层的设计、施工简单,受力明确,如图3所示.当需要纵横向同时转换时,可采用双向梁的布置.目前,国内外多、高层建筑结构转换层中采用梁式转换层的方案最多,例如北京南洋饭店、上海天鹅宾馆、深圳航空大厦、四川成都岷山饭店[1].
2)板式转换层.当上、下层柱网轴线错开较多,难以用梁直接承托时,可以做成厚板,形成板式转换层,如图4所示.板式转换层的下层柱可以灵活布置,无须与上部结构对齐,但板式转换层本身的自重大、材料用量多,且高位厚板转换层不宜用于抗震设防烈度6°以上的高层建筑[2].采用板式转换层的典型实际工程有深圳华采花园(板厚2.2m ,承托29层)、深圳福田彩虹大厦(板厚2.4m ,承托31层)、南京新世纪广扬一期工程[3]
(板厚2.0m ,承托30层)
.图4 板式转换层 图5 箱形转换层 图6 桁架式转换层
3)箱形转换层.以上、下两层楼板作为上、下翼缘,并在其间设置若干单向或双向腹板(竖隔板)就形成箱形转换层,如图5所示.箱形转换层可用于上、下层结构型式转换、柱网尺寸扩大及轴线错位等.典型实际工程有北京艺苑假日皇冠饭店[1]
,其箱形转换层跨度17.95mm ,宽22.1m ,高度4.05m ,上、下板厚500mm ,侧板厚400mm ,中肋厚600mm .目前箱形转换层用于房屋结构还不多,但在铁路工程中较常见.
4)桁架式转换层.桁架式转换层传力明确,伟力途径清楚,但构造和施工较复杂,如图6所示.典型实际
工程有北京香格里拉饭店、上海龙门宾馆[1]、南京新世纪广场(二期工程)[4]等.5)其它型式的转换层.如IBM 大厦采用了拱式转换层[1],沈阳华利广场采用了斜柱式转换层[5].
3 工程设计实例
3.1 工程概况
厦门市某高层建筑,地下1层,地上22层,总建筑面积25840m 2.1至4层为商业用房,1层层高5.0m ,2至4层层高4.0m ,采用框架—筒体结构.5至20层为住宅,层高3.0m ,采用短肢剪力墙—筒体结构.21、22层层高3.0m ,分别为电梯机房和屋面水箱.第4、5层之间不仅结构类型发生改变,轴线布置也有所变化,因此在4、5之间设置转换层,建筑总剖面图如图7所示.
3.2 转换层方案
转换层的结构形式可以采用梁式、桁架式、板式、箱形等,这些转换层都可以形成大空间,实现结构类型和轴线的转变.其中梁式转换层受力明确,设计和施工相对简单,应用最为广泛;同时,在转换梁受力较小部位可以开设合适的洞口,容易满足建筑功能和设备管线布置的要求.因此,本工程采用梁式转换层.转换层的层高2.5m ,转换梁上、下端与楼板相连,上层楼板厚200mm ,下层楼板厚300mm .转换梁托上部短肢剪力墙.转换层结构混凝土强度等级为C45.
3.3 结构整体计算
结构整体计算采用TBSA5.0进行.转换梁本身是杆件,可直接按梁单元参加到结构整体计算中,梁的轴线定在转换层上层楼板处[1].
·16·南昌大学学报(工科版)2002年
为防止结构沿竖向刚度变化过于悬殊而形成薄弱层,设计中应考虑使上、下层刚度比γ≤2:
图7 建筑总剖面图
γ=G i +1A i +1h i G i A i h i +1
(1)式中:G i ,G i +1是第i ,i +1层混凝土剪变模量,A i ,A i +1是
第i ,i +1层折算抗剪截面面积,h i ,h i +1为第i ,i +1层的
层高.
转换层上层短肢剪力墙厚度为:四周350mm ,内部250
mm ,混凝土强度等级为C45.转换层下层主要剪力墙厚度
加大为500mm ,400mm ,柱子截面尺寸取1100mm ×1100
mm ,混凝土强度等级为C45.按式(1)计算得两主轴x ,y 方
向的γ值分别为1.73和1.51.TBSA 计算结果表明,结构前
三个自振周期为:1.537s ,0.449s ,0.224;y 方向,1.717s ,
0.515s ,0.275s ;层间最大侧移和顶点位移均满足高层规
程[6]的要求.主要楼层结构平面布置如图8所示
.
图8 结构平面布置图3.4 转换梁的设计
转换梁的跨度为8.05-9.0m ,截面高度2.5m ,跨高比3.2-3.6,多跨转换,属连续短梁.转换梁截面尺寸一般由剪压比控制确定[7],其承载力一般也由斜截面受剪承载力控制.混凝土结构设计规范[8]没有明确给出短梁的斜截面受剪承载力计算公式.根据文献[9]的试验研究,建议:
1)转换梁正截面受弯承载务仍按普通梁计算.
2)转换梁斜截面受剪承载力主要由混凝土和箍筋承担,水平腹筋对斜截面受剪承载力有一定贡献,约占11%.因此,可不考虑水平腹筋的作用,将其作为安全储备.斜截面受剪承载力按式(2)计算:
V u =1.581+λ2f t bh 0+0.47λf yv A sv h 0s v (2)
式中,λ是计算剪跨比,f t 和f yv 分别是混凝土和箍筋的抗拉强度设计值,A sv 为配置在同一截面内箍筋各肢的全部截面面积,s v 是箍筋的间距,b ,h 0分别是转换梁截面宽度、有效高度.
3)转换梁的截面尺寸应满足式(3)的要求:
V max ≤0.17f c bh 0/γRE (3)
式中,V max 是转换梁支座截面最大剪力组合设计值,γRE 是承载力抗震调整系数,f c 是混凝土轴心抗压强度设计值.另外,考虑到转换梁在结构中的重要性,在正常使用阶段,一般不允许出现斜裂缝,建议在荷载短期效应组合下,应满足:
V s ≤0.5f tk bh (4)其中,V s 为按荷载短期效应组合计算的最大剪力值.本工程转换梁截面尺寸取b =900mm ,h =·17·第4期熊进刚等:带结构转换层的高层建筑结构设计
