浅谈高层建筑中转换层结构设计

摘 要:转换层因受力复杂，抗震能力弱，一直未被广泛应用。但随着高层建筑的不断增多和计算机硬件及软件的迅速发展，转换层结构的计算理论及方法也日趋完善，转换层的应用也越来越多。

关键词: 高层建筑;转换层;结构设计

中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号：

对于带转换层高层建筑结构体系，必须认真作好概念设计工作，分析总结结构特点和结构难点，作出合理结构布置，建立较为简洁、可靠且符合实际的结构计算模型。对重要部位和薄弱部位应从计算调整和构造措施两方面加强，保证其有足够的承载力和延性要求；并对结构重要部位采取相应的加强处理措施。

1 转换层的作用

1.1 转换上、下层的结构类型

在高层建筑中,因为其特殊的功能要求,所以上面部分是剪力墙结构,而下面部分则是框架结构,所以转换层的一个主要的作用就是对这两种结构进行转换,这样才可以使下部获得比较大的自由使用空间。

1.2 改变上、下层结构的轴线和柱网

现代的高层建筑通常是商住两用的模式,所以三层以下作为商用部分,需要空间大,墙体少,还需要有比较大的出入口,那么在转换层上、下的结构形式没有改变的情况下,就需要通过转换层来使建筑的下面部分结构的柱距变大,形成比较大的柱网,这样才可以形成比较大的出入口,以满足商业需要。

1.3 转换上、下层的结构类型和柱网

高层建筑的上部的剪力墙结构可以通过转换层来改变成框支剪力墙的结构,同时,下部的柱网和上部的剪力墙的轴线相互错开,可以形成上、下柱网不对齐的布置形式。

2 带转换层的高层建筑结构设计要求

2.1 减少转换

高层建筑的一个主要特点就是高,所以其自身的重量比较大,导致高层建筑的下部的框架受力集中,容易引起应力变形。

2.2 传力直接

在布置转换层的上下主体的竖向结构的时候,要尽量使水平的转换结构直接传力,避免多级复杂的转换,慎重使用传力比较复杂、对抗震不利的平厚板的转换形式,如果上、下柱网实在没有办法对齐的话,可以采用箱形的转换形式。

2.3 弱化上部、强化下部

针对带转换层的剪力墙结构或者筒体结构,可以采取下面措施来强化下部结构:加大筒体以及落地墙的厚度、提高混凝土的强度等级、必要的时候可以在房屋的周边增加设计部分的剪力墙、壁式框架或者楼梯间的筒体、提高抗震的能力。还可以采取在不落地的剪力墙上开洞、开口或者减小墙体厚度等措施来弱化上部。

2.4 优化转换结构

在进行抗震设计的时候,由于建筑功能的要求,如果不得不进行高位转换的时候,应该优先选择不易引起地震作用的下框支柱柱顶弯矩比较大、柱剪力比较大的结构形式。

2.5 计算全面细致

首先,建筑单位要对高层建筑中的转换层结构足够的重视,把转换层结构当做整体结构中一个非常重要的组成部分,运用符合实际的受力变形状态的计算模型来进行三维空间的整体结构分析计算,必要的时候可以采用有限元的方法对转换层的结构进行局部的补充计算。

3 高层建筑转换层的类型和结构设计

3.1 梁式转换层的结构设计

(1)结构特点

梁式转换层的结构设计的传力途径是采用墙(柱)转换梁柱(墙)的形式,所以其特点是:传力明确、直接、便于工程的计算、分析和设计,而且造价比较节省。所以,这种结构形式是目前在高层建筑中使用最广泛的一种。

(2)设计方法

第一,托柱形式转换的梁截面设计。当转换梁承托上部的普通框架的时候,在转换梁常用的截面尺寸的范围内,转换梁在受力上基本和普通梁一样,可以按照普通梁的截面设计方法进行计算;如果转换梁承托的上部是斜杆框架,转换梁就会承受轴向的拉力,这时候应该按照偏心受拉构件来进行截面设计。

第二,托墙形式的转换梁的截面设计。如果转换梁承托的上部墙体满跨而且不开洞的话,转换梁和上部墙体就会共同工作,它的受力特征和破坏形态表现为深梁,这时转换梁的截面设计方法最好采用深梁的截面设计方法或者应力截面的设计方法,而且计算出的纵向钢筋应该沿着全梁高来适当的分布配置。

3.2 桁架式转换的结构设计

(1)结构特点

桁架式转换结构形式是根据梁式结构转换层演变而来的,其结构特点是:整个转换层的承重结构是由多榀钢筋混凝土桁架组成,而桁架的上、下弦杆分别设置在转换层的上、下楼面的结构层内部,楼层之间设有腹杆。因为桁架高度比较高,所以其下弦杆的截面尺寸比较小。

(2)设计方法

桁架式的转换结构在进行整体结构的内力分析上可以采用ANSYS和TAT,除了应该满足结构整体的位移、抗倾覆、变形、周期等要求之外,还应该满足(JGJ3—2010)《高层建筑混凝土结构技术规程》中的附录E中的关于转换层上、下结构侧向刚度比的要求。和其他结构形式相比较,桁架转换层在受力上更合理,在转换层的位置受到的弯矩和剪力都比较小,这对构件截面尺寸的控制非常有利,不会造成比较大的刚度集中。在地震的作用下,也不会造成应力的集中,抗震效果比较好。

3.3 厚板厚梁式转换结构的设计

(1)结构特点

当建筑结构的上、下柱网的轴线错开的比较多,很难用梁直接承托的时候,则需要做成厚板,形成一个比较厚的承台来进行转换。板式转换层的特点是下柱网的布置灵活、不需要和下层结构对齐。其主要缺点是:自重比较大,材料耗用比较多。

(2)设计方法

带有厚板转换层的高层建筑可以采用三维空间的分析程序,例如TBSA,SATWE,TAT等 ,来进行整体结构的内力分析。厚板的内力方面的分析:转换板的边界形状较不规则,荷载分布与支撑条件比较复杂,通常需采用有限单元的方法进行详细的应力分析。

3.4 搭接柱转换结构的设计方法

(1)结构特点

搭接柱的转换结构是一种比较新颖的转换结构体系,马来西亚吉隆坡的城市中心(92层,452m)、上 海 的 金 茂 大 厦 (88层,421m)和北京的中国银行大厦地下室都采用了这种结构体系。其特点是:混凝土用料比较少、造价较低、自重比较小,转换层的本层的建筑空间可以得到充分的利用,上、下层沿竖直方向的刚度突变比较小,承载能力相对比较高。

(2)设计方法

搭接柱的转换结构,在重力作用下的可靠度和安全度,主要取决于搭接块连接楼盖梁板的承载能力以及轴向刚度的控制。搭接柱转换结构基本上保证了框架柱的直接落地,整体结构上的振动特性以及在地震作用下的工作状态和贯通落地的筒体-框架结构没有区别。框架柱搭接转换的本质削弱了框架抗侧的作用,进一步的强化了核心筒体的抗侧力,因此其承载力、延性以及截面尺寸都要予以保证,为了确切的了解搭接柱转换结构地震荷载、总荷载组合效应下的具体工作状况,局部有限元和整体杆系的分析都是十分必要的,主要的软件可以采用TBSA、ETABS等。

4 结语

随着时代的进步和经济的发展,高层建筑已经成为人们生活中的主要建筑形式。高层建筑作为商住两用的建筑模式,需要下部有比较大的使用空间,所以墙体比较少,支撑的柱体之间的距离也比较大,这样就使得高层建筑的上、下结构不能统一,也就给应力设计提出了更高的要求。本文已经对一些常见的转换层结构进行了简要的分析,希望设计人员可以在原有的基础上,设计出最合理的、最完善的转换结构,发挥其最优功能。

参考文献

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[2] 张明武.高层商住综合楼转换层结构设计分析与探讨,四川建材,2009(5).

[3] 周晓莉.浅谈高层建筑结构体系选型分析 与 结 构 设 计 ,科 技 创 新 导 报 ,2009(17).