带转换层的高层建筑结构设计

分类：建筑设计论文发表 时间：2012-09-21 09:34 关注：(1)

　　【摘 要】：文章简单介绍了转换层的定义和功能，分析了转换层类型选择方法，结合工程实践，提出了不同类型转换层的结设计方法。

　　【关键词】：高层建筑;转换层;结构设计

　　【 Abstract 】 : The article briefly introduces the definition and function of conversion layers, analyzes the conversion layer type selection method, combining with engineering practice, this paper puts forward different type conversion layers of "design method.

　　【 Key words 】 : high building; Conversion layers; Structure design

　　中图分类号：TU973 文献标识码：A 文章编号：

　　引言

　　带转换层多塔楼高层建筑结构是高层商住楼中常用的一种结构体系。转换层上下结构体系的转变和竖向构件的不连续性，易使转换层附近的刚度和内力发生突变。本文结合实际工程对此种复杂高层的抗震设计谈谈自己的体会。

　　1转换层的定义和功能

　　因建筑物功能的需要，上部需要小开间的轴线布置，需要较多的墙体;下部则希望有尽可能大的空间，柱网要大，墙体要尽量少。因而，上部部分竖向杆件不能直接连续贯通落地。而通过水平转换结构与下部竖向杆件连接，这样构成的高层建筑称为带转换层的高层建筑结构。转换层主要实现以下功能：

　　(1)上、下层结构类型转换转换层将上部剪力墙转换为下部的框架。这种转换层多用于剪力墙和框架一剪力墙结构中，以获得较大的内部自由空间。(2)上、下层结构柱网和轴线的改变转换层上、下的结构形式未改变，通过转换层能使下部结构的柱距扩大，形成大柱网。这种形式常用于外框筒的下层以形成较大的出人口。(3)同时转换上、下层结构类型和柱网上部剪力墙结构通过转换层改变为框支剪力墙结构的同时，下部柱网与上部剪力墙的轴线错开，形成上、下柱网不对齐的布置。

　　2转换层类型

　　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。

　　3不同类型转换层的结构介绍与设计方法

　　高层建筑转换结构一般可分为4种基本结构形式，即：桁架(包括空腹桁架)、箱型结构、梁式(包括托梁和双向梁格)、厚梁厚板(见图1)。

　　图1带转换层高层建筑结构体系

　　对以上4种基本结构形式设计应注意的问题简要介绍如下：

　　3.1梁式转换层结构

　　该结构形式是目前高层建筑中实现垂直转换最常用的结构形式，由于其传力途径采用墙(柱)→转换梁→柱(墙)的形式，具有传力直接、明确和清楚的优点，便于工程计算、分析和设计，且造价较节省。所以梁式转换层结构在实际工程中应用较广。实际工程中转换梁的结构形式有多种多样，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，又可分为钢筋混凝土、预应力混凝土、钢骨混凝土和钢结构等。转换梁设计方法的选择与其受力性能和转换层的形式有关，现简述如下：

　　(1)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;当转换梁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。

　　(2)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。由于此时转换梁跨中较大范围内的内力比较大，故底部纵向钢筋不宜截断和弯起，应全部伸人支座。当转换梁承托上部墙体满跨且开较多门窗洞或不满跨但剪力墙的长度较大时，转换梁截面设计方法也宜采用深梁截面设计方法或应力截面设计方法，纵向钢筋的布置则沿梁下部适当分布配置，且底部纵向钢筋不宜截断和弯起，应全部伸入支座。当转换梁承托上部墙体为小墙肢时，转换梁基本上可按普通梁的截面设计方法进行配筋计算，纵向钢筋可按普通梁集中布置在转换梁的底部。转换梁的结构形式有很多种，目前高层建筑转换层结构的实际工程应用也很多。一般而言，高层建筑转换层结构的分析必须按施工模拟，使用各阶段及施工实际支撑情况分别进行计算，以反映结构内力和变形的真实情况。施工过程中的力学问题应引起设计人员和施工人员的高度重视。

　　3.2桁架式转换结构

　　该结构形式是由梁式结构转换层变化而来的，整个转换层由多榀钢筋混凝土桁架组成承重结构，桁架的上下弦杆分别设在转换层的上下楼面的结构层内，层间设有腹杆。由于桁架高度较高，所以下弦杆的截面尺寸相对较小。桁架分为空腹桁架和实腹桁架2种，它可以是钢桁架，也可以是钢筋混凝土桁架，在钢筋混凝土高层结构中常用钢筋混凝土桁架。 “强斜腹杆，强节点”是桁架转换层的基本设计原则，而节点的受力复杂，容易发生剪切破坏，造成配筋过多。桁架转换式通常要求高度在3m以上，否则斜压杆件易形成超短柱，地震作用下容易产生脆性破坏。桁架式转换结构设计方法简述如下：

　　桁架式转换结构可以采用ANSYS和TAT来进行整体结构的内力分析，除应满足结构整体的位移、变形、抗倾覆、周期等要求外，还应满足(JGJ3—2002)《高层建筑混凝土结构技术规程》中附录E中规定的转换层上下结构侧向刚度比的要求。

　　相对其他结构形式转换层而言，桁架转换层比梁式转换层和厚转换层在受力上更加合理，在转换层位置受到的剪力和弯矩就比较小，有利于构件截面尺寸的控制，不会造成很大的刚度集中。在地震作用下，不会造成应力的集中，有利于结构抗震。其次在桁架转换层上部的结构所受到的剪力和弯矩相对其他的转换层结构来说也较小，其受力受下部转换层的影响较小，比较合理。由于桁架转换层的重量相对其他转换层的重量要小，从而减小了下部框架柱的抗压负荷。

　　3.3箱型转换结构

　　该结构形式即单向托梁、双向托梁如果连同上下层较厚的楼板共同工作，可以形成刚度很大的箱形转换层。它的优点是转换层本身的整体性很好，当转换层上部结构布置较复杂时，仍能够保证上下竖向构件的有效传力。但从建筑上来看，它直接占用了整个楼层的使用面积，使得该楼层通常只能作为设备层使用。同时，转换层内部的剪力墙与设备布置、管线布置常常发生冲突。其缺点是自重大、造价高等。从结构分析角度考虑，其内力分析复杂、结构设计及施工难度都较大，因此在实际工程中应用较少。

　　3.4厚板厚梁式转换结构

　　该结构形式用于当上、下柱网轴线错开较多，难以用梁直接承托时，则需要做成厚板，形成板式承台式转换层。板式转换层的下层柱网可以灵活布置、无须与下层结构对齐。但有如下缺点：自重很大，材料耗用较多。厚板厚梁式转换层的刚度很大，可以视为刚性转换层。板式转换层一方面给上部结构的布置带来方便，另一方面也使板的传力变得不清楚，因而受力也非常模糊，结构计算相对困难，采用有限元计算时计算结果繁杂，给配筋设计带来不便。另外从受力角度考虑，往往需要在柱与柱、柱与墙之间配筋加强，相当于设置暗梁，增加配筋量。从抗剪和抗冲切的角度考虑，转换板的厚度往往很大，这样的厚板一方面自重很大，增加了对下部垂直构件的承载力的设计要求;另一方面，本层的混凝土用量也很大，不经济。厚板集中了很大的刚度和质量，在地震作用下，地震反应强烈，不仅板本身受力很大，而且由于沿竖向刚度突然变化，相邻上下层受到很大的作用力，容易发生震害。以往的模型震动台试验研究表明，厚板的上下相邻层结构出现明显的裂缝和混凝土剥落。另外，试验还表明，在竖向荷载和地震力共同作用下，板不仅发生冲切破坏，还可能产生剪切破坏，板内必须三向配筋。厚板转换层设计方法简述如下：

　　带厚板转换层的高层建筑可采用三维空间分析程序(如TBSA，SATWE，TAT等)进行整体结构的内力分析。厚板的内力分析：转换板边界形状不规则，荷载分布和支撑条件较为复杂，一般需采用有限单元法进行详细应力分析。可采用PKPM系列软件中复杂楼板有限元分析软件计算。该程序有良好的前后处理功能，能自动地从整体分析程序中取出内力作为荷载，自动划分网格和编号，计算应力后可自动进行内力计算、内力组合、配筋计算。可以进行板在竖向荷载作用下的受弯、受剪、受冲切和局部受压的计算，可以计算板在水平方向面内的剪力与弯矩。

　　结束语

　　目前，绝大多数高层建筑根据功能及结构的需要，都设有转换层，因此本课题研究具有广泛的适用性,高层建筑转换层施工技术研究牵涉学科范围广，是多种学科的综合运用。

　　参考文献：

　　[1]秦荣.高嚣与超高层建筑结构[M].北京：科学出版社.2007.

　　[2]秦蓉.计算结构力学[M].北京：科学出版社，200l，

　　[3]唐兴荣.高层建筑转换层结构设诤岛施工[M].北京：中国建筑工业出版社，1999。

　　[4]JGJ3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》[s].2010

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