关于带转换层高层建筑的结构设计浅析摘要:近年来随着经济的繁荣及科学技术的不断进步,我国的高层建筑亦得到蓬勃发展。高层建筑物底常要求有较大的空间,单一结构体系已远不能适应平面布置复杂、沿竖向刚度变化不均匀、结构不能连续的建筑。为了满足建筑功能要求,实现结构体系的改变,并且保持空间工作性能,通常选择设置转换结构。
关键词:高层建筑;转换层;结构设计
中图分类号：tu97 文献标识码：a文章编号：
abstract: in recent years, with the prosperity of economy and the improvement of science and technology, our country of the high-rise building also get vigorous development. the tall buildings often require a larger space, a single structure system far already can not adapt to the layout complex, along the vertical stiffness variation is not uniform, structure can’t continuous buildings. in order to meet the building function requirements, realize the structure of the system in change, and keep the space work performance, usually choose set convert structure.
keywords: high building; conversion layers; structure design
1 转换层类型
在高层建筑结构的底部,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。选择什么样的转换层既能满足建筑底部大空间,上部小开间的要求,又能不失空间工作性能,是工程上十分关注的。因为在建筑结构中如果承力构件不连续,必然导致传力路线迂回曲折,甚至造成传力路线不明确,出现抗震薄弱环节。要在建筑底部、内部形成大空间的结构转换层,可以采用梁式、桁架式、空腹桁架式、转换拱、箱形和板式转换层。其中梁式转换层应用最为普遍。它的设计原理和施工操作简单,受力比较明确,因此广泛应用于底部大空间的剪力墙体系中,当需要纵横向同时转换时,可以采用双向梁的布置方式形成箱形。
2 框支梁转换层设计要点
框支梁式转换层,是将底层部分剪力墙改为框架,形成建筑需要的大空间,并在底层布置刚强的落地剪力墙,在底部大空间剪力墙的设计布置中要集中考虑几个关键的问题。
2.1首先要保证大空间层有充分的刚度防止沿竖向上下刚度变化过于悬殊。实际工程表明,刚度突变的建筑物,在地震作用下非常容易遭受破坏,必须严格控制转换层上下刚度比γ。
γ=gi+1·ai+1/gi·ai·hi/hi+1;g:剪切变形模量
g=0.425e;a=aw+0.12ac;aw---在所计算方向上剪力墙面的全部有效截面面积;ac---全部柱的截面面积。当建筑物有抗震要求时γ应尽量接近于1,不应大于2。
2.2必须控制框支剪力墙与落地剪力墙的比例,当剪力墙较多道且考虑抗震时,横向落地剪力墙数目与横向墙总数之比不宜少于50%,非抗震时不宜少于30%。
2.3必须控制落地剪力墙的间距和转换层楼板的厚度。表1和表2表明在转换层上下各抗侧力结构所受的剪力有相当大的调整。转换层以上框支墙的剪力有70～80%通过转换板传递到落地剪力墙上。
表1 某工程转换层下一层剪力分配
表2 转换层上一层剪力分配
在地震作用下,转换层在自身平面内受力很大,必须控制落地剪力墙的间距,否则楼板会有明显变形。要传递转换层上剪力,楼板平面内的弯矩和剪力都很大,应当加强转换层楼板的构造措施。
2.4必须从内力分析、结构强度、构件延性等方面进行框支梁、框支柱的截面设计并加强构造措施。
3 转换层杆系程序和有限元平面应力分析比较
在转换层上下,特别在框支粱上下刚度突变、结构形式改变,给连续化方法进行计算分析带来困难,应用受到限制,因此在结构设
计时,首先应用普通杆件或薄壁杆件的三维空间分析程序和空间协同工作分析程序进行建筑结构的整体计算,这种简化计算适应性广,一般计算机程序都可以进行这类计算,本文采用tbsa进行计算。但是框支梁上部的剪力墙不是普通的杆件,受力比较复杂。
假定楼板平面内刚度无限大,所以在平面内各节点具有三个相
同自由度,由此可推得楼板作刚体位移引起各节点位移,楼层位移的协调转换矩阵。
通过输入荷载,对总刚度矩阵逐块分解,回代求解各工况下结构位移,求得各杆件内力。应当指出的是,由于程序假定楼板平面内刚度无限大,因此楼面内的梁单元没有轴向变形,也就不可能产生轴向力。
实际上,采用tbsa计算框支梁,内力误差较大,因为框支剪力墙底部区域各种应力分量的分布状况,竖向集中荷载沿剪力墙高度向水平方向的扩散等情况复杂,采用杆系计算模型是无法将应力分布的真实情况反映出来,这时将框支梁视为平面应力问题而采用有限元分析是比较有效的。
当今程序有限元分析软件不断更新、能力加强,本文使用精度较高的平面膜元进行分析计算。
对于任何一个结构,总可以写出下列整体刚度方程:
[k]+{§}={p}
[k]-结构的整体刚度矩阵
{§}-节点位移列矩阵
{p}-荷载列矩阵
当[k]的阶数很大时,可将整体结构分成若干子结构,相邻子结构的分界处称为边界,边界的节点,称为子结构的边界节点。子结构分析法的基本思路是:首先把各子结构的边界固定住,在子结构内部节点荷载作用下,求出各边界节点的作用力,然后把边界放松,置
