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高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法論文
【摘要】為了能夠合理地設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換層構(gòu)件，設(shè)計(jì)師必須對(duì)高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層的整體結(jié)構(gòu)和受力情況進(jìn)行分析和了解。論文以實(shí)際工程為例，對(duì)高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)選型進(jìn)行了探討，設(shè)計(jì)效果良好，具有一定的借鑒參考價(jià)值。
1引言
在高層建筑施工過程中，常見的結(jié)構(gòu)形式底層為公共娛樂場(chǎng)所或商場(chǎng)，上部為民用住宅。上部空間可以通過使用比較多的墻體來對(duì)空間進(jìn)行分割，下部則設(shè)計(jì)為空間結(jié)構(gòu)更加靈活的大柱網(wǎng)結(jié)構(gòu)。這樣,建筑的上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)之間的結(jié)構(gòu)差異比較大，為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求，需要設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。常見的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)主要包括梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)、桁架轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)、厚板轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)等。在實(shí)際工程中，要求結(jié)合實(shí)際的建筑布局情況合理設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。
2工程概況
某建筑工程地上總建設(shè)層數(shù)為30層，地下為2層，總建筑高度為95m，地上裙樓5層，工程地下1層為地下車庫和賣場(chǎng)，1~4層為商場(chǎng)，第5層為會(huì)所，6~31層建筑為高級(jí)公寓。設(shè)計(jì)建筑抗震烈度為7級(jí)，轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)在第6層樓面，如圖1所示。
3轉(zhuǎn)換層型式的選擇
1）梁式轉(zhuǎn)換層。其具有傳力明確、施工過程簡(jiǎn)潔、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。當(dāng)建筑的上下軸線布置錯(cuò)位時(shí)，次梁就需要經(jīng)過多次轉(zhuǎn)換，進(jìn)而使得空間受力變得錯(cuò)綜復(fù)雜。
2）箱式轉(zhuǎn)換層。其轉(zhuǎn)換梁具有穩(wěn)定性高、剛韌性強(qiáng)、整體感好、上下受力均衡等特點(diǎn)。在建筑轉(zhuǎn)換層的功能方面，轉(zhuǎn)換梁被當(dāng)作“設(shè)備層”，且梁柱中間有許多的設(shè)備洞，使得建設(shè)過程變得復(fù)雜，成本也相應(yīng)提高。
3）厚板式轉(zhuǎn)換層。其上部框架結(jié)構(gòu)的規(guī)劃對(duì)下部柱網(wǎng)影響不大，下部柱網(wǎng)可隨意布置，厚板剛度大，重量也大，由此形成了1個(gè)承接臺(tái)，整體效果好，施工程序簡(jiǎn)單，但是厚板地震強(qiáng)度大，很容易形成震害，耗材量大，經(jīng)濟(jì)實(shí)用性差，成本高[1]。4）桁架式轉(zhuǎn)換層。與別的轉(zhuǎn)換層型式不同，框支柱柱頂彎矩和剪力的施工過程較為繁雜，且難度系數(shù)高，當(dāng)發(fā)生軸線布置錯(cuò)位時(shí)，難度系數(shù)將會(huì)增大。將建筑布局的實(shí)際情況和施工難易程度、經(jīng)濟(jì)成本等方面綜合起來考慮，則選擇梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)型式比較適合，該結(jié)構(gòu)也被稱作梁式框支剪力墻結(jié)構(gòu)。
4梁式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)
4.1明確抗震等級(jí)梁式轉(zhuǎn)換層是一種最常見的高層建筑，由多種建筑結(jié)構(gòu)型式共同組成，其轉(zhuǎn)換層位于純剪力墻結(jié)構(gòu)和框架—剪力墻結(jié)構(gòu)之間，不同于一般的框架或剪力墻結(jié)構(gòu)。因此，其結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)的確定也更加嚴(yán)格，各個(gè)部位結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震等級(jí)也應(yīng)分別依照專門的規(guī)章制度來確定，這是整個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。表1為本建筑工程各部位的抗震等級(jí)，對(duì)于乙類建筑工程主要依照如下規(guī)定：如果此區(qū)域的抗震設(shè)防烈度6～8度時(shí)，應(yīng)該要求該工程的抗震設(shè)防烈度增加1度，以此來達(dá)到本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求。
4.2結(jié)構(gòu)豎向布置為了防止剛度突變，一般高層建筑的側(cè)向剛度都采用上窄下寬，與帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)相反，因而在建筑設(shè)計(jì)過程中，針對(duì)性地對(duì)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度作了具體要求，即上下等效側(cè)向剛度比值應(yīng)在1左右，且不應(yīng)超過1.3。在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)豎向時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格遵循弱上強(qiáng)下的原則。一般有如下幾種方式。
1)與建筑專業(yè)協(xié)商，盡量增加貼地剪力墻的數(shù)目，在必要的時(shí)候可以在底部添設(shè)剪力墻(不伸上去)。核心筒部分的剪力墻根據(jù)相關(guān)要求必須設(shè)在底部。此外，還可通過進(jìn)一步和建筑專業(yè)協(xié)商，在其兩側(cè)分別增加一片落地的剪力墻，底部強(qiáng)度在一定程度上會(huì)有所增強(qiáng)。
2)在轉(zhuǎn)換層以下剪力墻中，可以適當(dāng)增加底部剪力墻厚度，其余部分和核心筒部分的厚度均取600mm。3)為了減少剛度的變化，底部剪力墻最好不開洞或者只開小洞。
4)選用C45混凝土(除框支柱運(yùn)用C50混凝土外)可以增加墻混凝土、底部柱抗壓的強(qiáng)度等級(jí)。
5)為了增加建筑的穩(wěn)定性，通常采用弱化轉(zhuǎn)換層上部剛度的方式，主要通過在一些相對(duì)長(zhǎng)的剪力墻中間打開結(jié)構(gòu)洞(在施工結(jié)束后再用填充墻補(bǔ)全)，嚴(yán)格控制剪力墻厚度和數(shù)目等方法[2]。弱化上部剛度，一方面可以使得結(jié)構(gòu)自振周期延長(zhǎng)，地震作用力減弱；另一方面可以有效控制剛度比，同時(shí)建筑物的重量和框支梁承受的荷載也會(huì)相應(yīng)有所減少。在工程結(jié)合了以上幾種方法后，得到轉(zhuǎn)換層上下剛度比在X方向?yàn)?.725，Y方向?yàn)?.813，符合要求，效果顯著。豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)是該工程的本質(zhì)屬性，所以，在上下部剛度比符合要求的前提下，還應(yīng)將轉(zhuǎn)換層和其下各層的地震剪力擴(kuò)大1.15倍，以此來改善這兩層之間的結(jié)構(gòu)薄弱程度。4.2規(guī)劃結(jié)構(gòu)平面一個(gè)完整的工程結(jié)構(gòu)布局一般由位于上部的純剪力墻結(jié)構(gòu)和下部的形態(tài)規(guī)則框架-剪力墻結(jié)構(gòu)組成。
為了提高抗扭的等級(jí)，在規(guī)劃結(jié)構(gòu)平面時(shí)，要求剪力墻左右對(duì)稱，偏心率很小，上下質(zhì)量與剛度中心誤差小于2m，沿周邊均一分布不包括核心筒。相關(guān)計(jì)算結(jié)果表明，各層水平位移上限與層間位移比均小于1.4，扭轉(zhuǎn)與平動(dòng)第一自振周期比為0.85，都符合嚴(yán)控扭轉(zhuǎn)和平面規(guī)劃的規(guī)定。由此可見，合理規(guī)劃工程結(jié)構(gòu)布局可以在一定程度上增強(qiáng)抗扭效果。
5轉(zhuǎn)換構(gòu)件設(shè)計(jì)要求
5.1框支柱為了確保框支柱有最大化的抗壓能力，需對(duì)軸壓比進(jìn)行嚴(yán)格把握，且軸壓比決定截面尺寸，其中框支柱截面尺寸應(yīng)符合剪壓比規(guī)定。框支柱作為工程至關(guān)重要的核心部分，抗震級(jí)別為特一級(jí)，軸壓比應(yīng)小于0.6，對(duì)部分"短柱"軸壓比應(yīng)小于0.55，短柱主要是由于截面尺寸過大而形成。
此外，截面延性與配箍率有著密不可分的聯(lián)系，使得配箍率與一般框架柱相比大很多。在建筑工程施工過程中，箍筋需大于，全長(zhǎng)被加密，同時(shí)配箍率應(yīng)大于1.5%，但是有少數(shù)支柱同時(shí)被當(dāng)做剪力墻端柱，對(duì)此配箍特征值需大于0.2，等價(jià)于配箍率(C50混凝土)2.64%;由此看來，采取措施控制邊緣構(gòu)件的配箍特征值顯得尤為重要。與此同時(shí)，柱端剪力和彎矩都需擴(kuò)大一定的倍數(shù)，每層所負(fù)荷的剪力之和為基底的3/10，以此提高框支柱的安全系數(shù)[3]。在軟件程序計(jì)算時(shí)，理論上假設(shè)樓板剛韌性很大，剪力按照豎向的剛性水平分布，這樣使得框支柱遠(yuǎn)小于底部剪力墻剛度，剪力變得很小。但是，在實(shí)際工程中，當(dāng)出現(xiàn)樓板扭曲或剪力墻剛性突變時(shí)，框支柱剪力就會(huì)變大，為此對(duì)其作了針對(duì)性的規(guī)定。除此之外，為了增加轉(zhuǎn)換層的穩(wěn)定性，通過將支柱上部結(jié)構(gòu)的部分縱筋與下部結(jié)構(gòu)相連接，剩余的縱筋水平插入梁板內(nèi)，達(dá)到錨固強(qiáng)度要求。
5.2框支梁截面尺寸截面尺寸高度大于理論高度的1/6，寬度大于400mm，且大于其上部墻厚度的2倍，通常由剪壓比決定。框支柱在整個(gè)建筑中是一個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜且必不可少的受力結(jié)構(gòu)，它不僅是上部和下部負(fù)載重量的傳送帶，而且處于確保剪力墻抗壓和抗倒塌的重要位置。所以，在設(shè)計(jì)框支梁截面尺寸時(shí)，要充分考慮工程的安全性，特一級(jí)抗震條件下的框支梁縱筋配筋率應(yīng)大于0.6%，在符合計(jì)算的前提下，框支梁配筋率大于0.8%。框支梁中存在軸力，通常為重心偏離的受拉部件，因此需要配備更多可插進(jìn)支座內(nèi)部、梁高間隔小于200mm，φ16mm的腰筋。針對(duì)如此重要的抗壓抗震構(gòu)件，應(yīng)該在設(shè)計(jì)時(shí)遵循“強(qiáng)剪弱彎”的規(guī)則，在縱筋配置充足時(shí)，就更需要增強(qiáng)箍筋。箍筋全長(zhǎng)都需加密，用的8肢箍，配箍率高達(dá)1.53%，最大限度地符合特一級(jí)抗震級(jí)別框支梁配箍率要求。
5.3轉(zhuǎn)換層樓板以轉(zhuǎn)換層為界限將框支剪力墻結(jié)構(gòu)分為上部和下部，其內(nèi)部受力按不同的規(guī)律分布。上部樓層根據(jù)各部分剪力墻的等效剛度比值進(jìn)行負(fù)載水平力的分配，而下部樓層的水平剪力主要分布在落地剪力墻上，且其與框支柱間剛度不同，使得轉(zhuǎn)換層在分配所負(fù)荷的重力時(shí)發(fā)生變化。轉(zhuǎn)換層的樓板本身受到很大的重力，且容易變形，通常扮演著分配上部和下部樓層受力的角色，因此樓板必須具備一定的剛度。此外，為了幫助轉(zhuǎn)換層樓板更好地完成剪力重分配工作，上下層樓板選用厚度均150mm。
6結(jié)語
總而言之，在高層建筑梁式轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)建筑的設(shè)計(jì)要求和功能要求科學(xué)地進(jìn)行轉(zhuǎn)換層形式的選擇，根據(jù)各個(gè)部位抗震等級(jí)的要求，合理地對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行布置，以保證高層建筑的質(zhì)量。
【參考文獻(xiàn)】
【1】JGJ3—2002.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].
【2】章斌全.框支剪力墻轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探索[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2003(2):8-10.
【3】高雪峰.轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)建議[J].建筑技術(shù)開發(fā)，2003(3):6-7.
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