带转换层的高层建筑结构设计探析
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带转换层的高层建筑结构设计探析
摘要:随着我国城市化进程的不断推进,建筑行业迅猛发展,高楼大厦已经成为城市最普遍的建筑,另外由于建筑空间有限,社会对高层建筑的需求也越来越多。不同于低层楼宇,高层建筑多为综合性建筑,兼具商业、休闲、娱乐等多项功能,这就要求其底部楼层采用大空间的结构布置形式以便在功能使用上灵活方便。当上部楼层部分竖向构件(剪力墙、框架柱)不能直接连续贯通落地时,应设置结构转换层,在结构转换层布置转换结构构件,这类结构称为带转换层的高层建筑结构。本文首先介绍了带转换层的高层建筑结构的分类及作用,确定转换层结构设计的原则,进而探讨转换层结构设计的相关策略,以期完成安全经济合理的结构作品。
关键词:高层建筑;转换层;结构变换;设计策略
为了满足高层建筑底部大空间的使用功能要求,使得上部楼层部分竖向构件(剪力墙、框架柱)不能直接连续贯通落地,必须借助结构转换层来实现竖向构件的顺利过渡,从而实现高层建筑可以抵抗竖向荷载、风荷载、地震作用。结构转换构件可以采用转换梁、桁架、空腹桁架、箱型结构、斜撑、厚板等,现在我国高层建筑主要采用转换柱和转换梁形成的转换框架支承上部剪力墙的结构形式。
一、高层建筑转换层的分类及作用
(一)高层建筑转换层的分类
从结构功能的角度来看,高层建筑转换层可大致分为四类:一是针对上部为剪力墙结构体系,下部采用大开间的框架-剪力墙体系,转换层可以将上部不能落地的剪力墙通过转换构件与下部框架柱相衔接;二是针对上部为小柱网框架,下部为大柱网框架,转换层可以将上部不能落地的框架柱通过转换构件与下部框架柱相衔;三是针对上部采用外围为密柱的筒中筒结构,下部采用外围为稀柱的框筒结构,转换层可以将上部不能落地的外围柱通过转换构件与下部外围柱相衔接;四是针对上部楼层外挑从而导致边柱不能落地,带悬臂转换构件的转换层可以将上部不能落地的边柱与下部框架柱相衔接。
从结构形式的角度来看,转换层多使用于底部需要大空间的高层建筑和在底部形成较大入口的高层建筑。
(二)高层建筑转换层的作用
由于受到城市用地空间的限制,现代建筑的高度正在不断增加,虽然建筑技术不断进步,但高层建筑的危险性仍应受到重视,建筑高度的增加导致需要更多的竖向构件和更密的柱网来形成较大的结构抗侧刚度来抵御风荷载和地震作用,从而提升建筑可靠性和安全性。但这一做法大大挤占了底层可用空间,底层活动范围明显缩小,当底层使用上需要更大的空间时,必须在建筑中嵌入转换层体系,通过水平转换转换构件将上部楼层的部分柱(剪力墙)不直接落地,扩大底层可使用空间。
二、高层建筑转换层结构的设计原则
(一)减少转换次数
转换层结构是帮助高层建筑实现多功能转变的重要手段,但这并不意味着可以在建筑中尽量多地设计转换层结构,相反,为了增加建筑结构的安全性,要尽量减少结构转换次数避免形成多个抗侧刚度薄弱层,注重上下结构的受力流畅性,在布置竖向结构时减少转换构件,从而降低转换层带来的刚度和承载力突变,满足 “小震不坏,中震可修,大震不倒”的抗震设防目标。 (二)避免多级转换
转换层结构的设计要尽量做到直接传力,竖向结构避免多级转换,水平转换构件避免使用次框梁、支柱梁的结构方案【1】,增加建筑的抗震能力。
(三)优化结构侧向刚度比值
在设计转换层结构时,必须注重对上下结构的侧向刚度比进行优化,通过科学的方案设计,实现高层建筑框支柱断面的加大、底部落地剪力墙厚度的增加、混凝土强度的提升,从而降低高层建筑上部结构刚度,提高下部结构刚度,同时完成转换层上下结构承载力的优化分配。
(四)多模型测算
转换层结构设计的专业性较强,为了保证施工进程的顺利进行,必须确定准确的数据,因此应至少采用两种不同的力学模型,计算分析建筑的内部受力,从三维空间的角度对计算结果进行比对校核,采取两个力学模型的包络设计。
三、高层建筑转换层结构设计策略
(一)加强转换层抗震设计
高层建筑在加入转换层的同时,也导致建筑竖向构件抗侧刚度和楼层受剪承载力发生突变,降低了建筑本身的抗震能力,因此必须在转换层中加入抗震设计,弥补相关薄弱环节。
1.减少竖向结构转换构件。从竖向结构的角度来看,竖向构件直接落地能够大大减少转换数量,从而降低建筑竖向刚度突变的可能性,降低转换层结构对建筑抗震能力的影响。
2. 结构转换层布置不宜过高。转换层结构应尽量设置在建筑中下部,转换层位置越高,转换层上下层间位移角及剪力重分配和传力途径突变越明显【2】。
3.优化转换层结构。转换层结构的优化意味着建筑受力程度的优化,对转换层进行精确的传力路径分析,选择合适的传力模式,从而扩大转换层结构对高层建筑结构衔接的积极作用。另外,转换层的刚度不宜过大,避免薄弱层上移,满足高层建筑安全要求即可。
(二)合理布局转换层结构
1.合理分布下部主体的结构刚度。高层建筑的抗震设计要求转换层上下结构的竖向构件抗侧刚度必须精准设计,以降低竖向刚度的突变带来的影响。因此,在实际施工时,要不断提高混凝土强度,通过增加落地剪力墙的数量,扩大竖向构件的截面尺寸的方法合理布置下部主体的结构刚度。
2.合理布置剪力墙的结构刚度。要注意到剪力墙对上下刚度传递时造成的影响,要想避免上下结构刚度的突变,可以通过以下方法来解决:首先,为了减少高层建筑上下结构刚度的突变,剪力墙的设置应尽量靠下,减轻上部刚度;同时可以在下部增设落地剪力墙来增加下部刚度,但必须注意落地剪力墙的应均匀分布不可过度密集。
3.合理选择转换层的结构刚度。在选择转换层结构时,也要考虑到结构刚度对建筑带来的影响,过大的刚度不仅会增大地震作用、增加施工材料的耗用、施工成本的增加,更会导致竖向结构的加大,使转换层出现不均匀受力的情况;过小的刚度则会导致竖向构件之间出现沉降差,水平构件之间也会产生次应力【3】。
(三)精准设计转换层构件
1.框支梁的设计。框支梁是高层建筑上下部荷载能力的传送带,是保障高层建筑抗震能力的关键构件。高层建筑框支梁截面的尺寸受剪压比的影响较大,其截面宽度一般是其墙体厚度的两倍以上【4】,框支梁的高度也比较复杂。相较于其他结构,框支梁截面的受力程度较高,因此在进行构建设计时必须留出相应的安全储备,必要时对框支梁进行有限元分析。另外,由于抗震作用导致框支梁的受剪较大,在建设施工时要重点关注箍筋的数量,按照强剪弱弯的原则,保证其与纵筋数量维持平衡。
2.转换层楼板的设计。转换层可以将框架剪力墙分成上下两个部分,这两部分的受力情况不同,上部结构所承担的水平力是由外荷载带来的,是根据剪力墙的刚度进行比例性分配;下部结构中的落地剪力墙刚度和框支柱的刚度差异较大,因而水平剪力多由落地剪力墙承担,导致了转换层水平剪力的重分配,这时就必须借助转换层楼板受剪来担当水平剪力重分配的角色,考虑到其受力情况和变形幅度,在选择时必须选用平面内和平面外刚度够大的楼板,楼板配筋也应满足楼板受剪承载力要求。避免转换层楼板大开洞,无法避免是应对转换层楼板进行有限元分析,找出楼板应力集中部位进行加强配筋及板厚等措施。
结语:
综上所述,随着建筑使用功能要求越来越高,结构转换层在高层建筑中的应用越来越普遍,实现了高层建筑不同功能区的顺利过渡。结构转换层有很多种转换类型,在建设时,应根据高层建筑的功能特点和结构布局合理选择结构转换层体系,也应考虑工程造价的影响,做到安全经济合理。结构转换层的应用还涉及到高层建筑施工阶段的受力分析,因此,必须科学谨慎地设计转换层施工方案,结构设计时也应考虑不同施工方案对结构构件受力的影响,进而保障高层建筑施工质量和施工安全性。
参考文献:
[1]钟敏超.梁式转换层结构在现代商业建筑结构设计中的应用[J].建筑工程技术与设计,2017,(19):974-974.
[2]徐培福、傅学怡等.复杂高层建筑结构设计.北京:中国建筑工业出版社,2005.
[3]胡雄飞.高层建筑结构转换层的结构设计探析[J].城市建设理论研究(电子版),2013,(13):664-664.
[4]张丹萍,钟艳.高层建筑转换层结构设计探析[J].建筑工程技术与设计,2016,(8):664-664.