高层建筑梁式转换层结构设计.doc

高层建筑梁式转换层结构设计摘要：本文针对高层建筑梁式转换层结构设计的相关问题进行了分析。关键词：高层建筑结构；转换层；结构设计随着我国经济的持续快速发展，人们对高层建筑的功能要求趋向于多样化、综合化和全面化。较为常见的形式是上部为小开间的民用住宅，下部为大开间的商场或公共娱乐场所。从建筑功能上看，高层建筑上部需要较多的墙体来分隔空间以满足住宅户型的需要；而下部则希望有较大的自由灵活空间，大柱网、少墙体，以满足公共使用要求。然而，按照这样的建筑形式进行结构布置时，上部墙体多而密，下部柱网少而稀，即刚度上大下小。这与常规的结构竖向布置的原则正好是相反的。为了满足建筑要求就必须在上下不同结构体系转换的楼层设置转换层。于是，带转换层的建筑结构孕育而生，并在近年来得到较为广泛的应用。 一、转换层概述 由于高层建筑下部结构受力较大，上部结构受力较小，这与常规的结构竖向布置的原则正好是相反的。为了满足建筑多功能的要求，就必须在结构中设置转换结构构件，以实现自上而下结构形式，轴线布置的自然过渡。转换结构构件所在的楼层就是转换层。 按转换层所实现的结构转换可分为三类：上、下层柱网、轴线改变：转换层上、下结构形式没有改变，但是通过转换层使下层的柱距扩大，形成大柱网。常用于外框筒的下层，形成较大的入口；上、下层结构类型的转换：这种转换层广泛应用于上部为剪力墙结构和框架剪力墙结构，它将上部剪力墙转化为下部的框架，以创造一个较大的内部自由空间。转换结构形式和结构轴线位置：即上部楼层剪力墙结构通过转换层轴线错开，形成上、下结构不对齐的布置。 实际工程应用中转换层的结构形式有多种多样，转换层的结构形式主要有梁式、柑架式、空腹析架式、箱式和板式。从上部墙体形式上，可分为满跨和不满跨、开洞和不开洞、开门洞和开窗洞；从跨数上，可分为单跨、双跨及多跨；从转换梁功能上，可分为托墙和托柱：从转换梁形式上，可分为加腋和不加腋：从转换梁结构采用材料上，可分为钢筋混凝土和钢骨混凝土、钢结构等。 二、转换层的主要结构形式和特点 各种形式转换层由于结构形式差别较大，其传力性能和抗震性能等存在明显差异。梁式转换结构传力直接、明确，传力途径清楚，结构计算相对容易。受力性能好、工作可靠、构造简单、施工方便，但是当转换梁跨度较大时，要求转换梁截面也较大，其质量和抗侧刚度也相应较大，因而地震反应较大。板式转换结构一方面使得上部结构布置方便，另一方面使得传力不清楚，受力复杂，结构计算相对困难，并且厚板集中了很大的刚度和质量，地震反应强烈。析架式转换结构具有传力明确，传力途径清楚的特点，转换析架不仅使开洞与设置管道方便，而且他们的位置和大小具有很大的灵活性，使充分利用转换层的空间成为可能。析架式转换结构抗侧力刚度和自重比转换梁小，使得带析架式转换层高层建筑的质量和刚度突变相对缓和，地震反应比带转换梁的高层小很多。箱形转换结构是由单向托梁、双向托梁连同上下层较厚的楼板共同作用形成，其侧向刚度很大，较少用于房屋结构工程。 三、梁式转换层结构的设计遵循原则 带转换层高层建筑结构是一种：受力复杂、不利于抗震的结构体系，在结构总体设计时，特别是在抗震设防地区，应遵循的如下原则： 3.1 传力直接，避免多次转换布置转换层上下主体竖向结构时，要尽量使水平转换结构传力直接，通过结构的合理布置，使不落地的剪力墙通过转换托梁直接传给竖向承重构件，尽可能的避免转换次粱及水平多级转换，实现传力路径的最短化。3.2 强化下部、弱化上部要保证底部：赶空间有适宜的刚度、强度、延性和抗震能力，要有意识的强化转换层下部主体结构刚度，弱化转换层上部主体结构的刚度，使得转换层上下部主体结构的刚度及变形特征尽量接近，以避免出现薄弱层。3.3 计算全面准确必须将转换结构作为整体结构中一个重要组成部分，采用符合实际受力变形状态的正确计算模型进行三维空间整体结构计算分析。采用有限元方法对转换结构进行局部补充计算时，转换结构以上至少取2层结构进入局部计算模型，同时应计及转换层及所有楼层楼盖平面内刚度，计及实际结构三维空间盒子效应，采用比较符合实际边界条件的正确计算模型。 四、梁式转换层结构的关键设计4.1转换粱的截面设计方法转换梁截面设计方法的选择与其受力性能和转换层的形式相关。托柱形式转换梁截面设计。当转换梁承托上部普通框架时，在转换梁常用截面尺寸范围内，转换梁的受力基本和普通梁相同，可按普通梁截面设计方法进行配筋计算。当转换粱承托上部斜杆框架时，转换梁将承受轴向拉力，此时应按偏心受拉构件进行截面设计。托墙形式转换梁截面设计。当转换梁承托上部墙体满跨不开洞时，转换梁与上部墙体共同工作，其受力特征与破坏形态表现为深梁，此时转换梁截面设计方法宜采用深梁截面设计方法或应力截面设计方法，且计算出的纵向钢筋应沿全梁高适当分布配置。4.2转换粱的设计与构造要求转换梁的截面尺寸一般宜由剪压比计算确定，以避免脆性破坏和具有合适的含箍率。转换梁不宜开洞，若需要开洞，洞口宜位于梁中和轴附近。洞口上、下弦杆必须采取加强措施，箍筋要加密，以增强其抗剪能力。上、下弦杆箍筋计算时宜将剪力设计值乘放大系数1.2。当洞口内力较大时，可采用型钢构件来加强。转换梁的混凝土强度等级不应低于C30。转换梁上、下主筋的最小配筋率非抗震设计时为0.3，抗震设计时，一、二、三和四级抗震等级分别为0.5、0.4、0.35和0.35。转换梁中主筋(纵向钢筋)不宜有接头；有接头时，宜采用机械连接，且同一截面内钢筋接头面积不应超过全部主筋截面面积50，接头位置尚应避开上部剪力墙开洞部位、梁上托柱部位及受力较大部位。转换梁上部主筋至少应有50沿梁全长贯通，下部主筋应全部贯通伸人柱内。4.3上部框架设计和构造要求上部框架上转换梁共同工作，可视作一个层层受楼板约束、受相连梁空间约束的巨型平面空腹析架。设计时可以加大转换梁上面几层框架粱的刚度，以达到共同承受上部荷载和起到二道设防的作用，同时由一层梁承托变成层层梁承托上部框架柱的工作机制。转换结构上部框架须按强柱弱梁的原则进行设计，确保塑性铰在梁端出现，使柱比梁有更大的安全储备。转换层结构的试验研究表明，与转换梁相连的柱子往往是薄弱环节；转换梁上层框架梁柱受力复杂，应力集中，设计时应根据实际受力情况进行较准确施工模拟计算分析。上部框架柱纵向钢筋最小配筋率为：抗震等级一级时不宜小于10，抗震等级二级时不宜小于0.8，抗震等级三级时不宜小于0.7，抗震等级四级、非抗震设计时不宜小于0.6，且钢筋间距不宜大于200mm，不宜小于80mm。五、结语在现代高层建筑的转换层结构中，因其应用功能的多样化而使建筑物结构传力体系复杂化，在结构设计时应按规范要求并根据现场条件救呼分忻计算和优化设计，尽可能将影响建筑物使用功能的诸多因素考虑进去，以达到科学经济的设计目的。参考文献1唐军德高层建筑结构转换层施工技术的应用J山西建筑，2009，32张俊波混凝土梁式转换层结构施工技术探讨J.施工技术，2005，63黄鑫浅谈高层建筑铜筋混凝土梁式转换层施工技术J湖南大学学报，2006姓名:纪锋琴，单位：烟台市远州建筑设计有限公司，邮编：265400，单位所在地区：山东烟台招远