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        高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

        2013-10-11 02:25:04楊曉明于露
        商品與質(zhì)量·消費研究 2013年8期
        關(guān)鍵詞:高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計

        楊曉明 于露

        【摘 要】目前高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)己成為一種普遍的結(jié)構(gòu)形式,本文以現(xiàn)有梁式轉(zhuǎn)換層設(shè)計理論為基礎(chǔ),通過分析梁式轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)形式和受力特點,得到梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計的受力性能與設(shè)計原則,提供了切實可行的實踐經(jīng)驗,對實際工程的設(shè)計具有一定的參考價值。

        【關(guān)鍵詞】高層建筑;梁式轉(zhuǎn)換層形式;結(jié)構(gòu)設(shè)計

        一、梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式

        實際工程中應(yīng)用的梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)有多種形式,主要原理就是利用下部的轉(zhuǎn)換大梁來支托上部結(jié)構(gòu)。在《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2002)中,規(guī)范對轉(zhuǎn)換梁的最小高度和寬度作如下規(guī)定:框支梁截面的寬度不宜大于框支柱相應(yīng)方向的截面寬度,不宜小于其上墻體截面厚度的2倍,且不易小于400mm;當梁上托柱時,尚不應(yīng)小于梁寬方向的柱截面寬度。進行抗震設(shè)計時,轉(zhuǎn)換梁高不小于其跨度的1/6;非抗震設(shè)計時,轉(zhuǎn)換梁高不小于跨度的1/8。從該設(shè)計規(guī)程中可知,采取這些限制主要是保證轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)的整體剛度,增強結(jié)構(gòu)的可靠性。

        梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)受力機理分析

        梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的傳力途徑為墻—梁—柱(墻)的形式,傳力直接,便于分析計算。轉(zhuǎn)換大梁的受力主要受上部剪力墻剛度、剪力墻與轉(zhuǎn)換大梁的相對剛度和轉(zhuǎn)換大梁與下部支撐結(jié)構(gòu)的相對剛度影響。為弄清轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)與上部墻體共同工作的性能,對轉(zhuǎn)換梁承托層數(shù)對其內(nèi)力的影響用有限元程序進行了分析,從分析結(jié)果中我們知道,對一般結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換大梁,上部墻體考慮三層與考慮4層、5層內(nèi)力的設(shè)計控制內(nèi)力差異不大于5%,故在分析計算時可只考慮計算3層。從計算分析不論轉(zhuǎn)換大梁上部墻體的形式如何,只要墻體有一定長度,轉(zhuǎn)換大梁中的彎矩就會比不考慮上部墻體作用要小,同時轉(zhuǎn)換大梁也會有一段范圍出現(xiàn)受拉區(qū)。

        二、梁式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計

        (一)結(jié)構(gòu)豎向布置

        高層建筑的側(cè)向剛度宜下大上小,且應(yīng)避免剛度突變。然而帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)顯然有悖于此。對該工程而言, 屬于“高位轉(zhuǎn)換”。轉(zhuǎn)換層上下等效側(cè)向剛度比宜接近于1,不應(yīng)大于1.3。在設(shè)計過程中,應(yīng)把握的原則歸納起來,就是要強化下部,弱化上部。可以采用的方法有以下幾種:

        1)與建筑專業(yè)協(xié)商,使盡可能多的剪力墻落地,必要時甚至可在底部增設(shè)部分剪力墻(不伸上去)。除核心筒部分剪力墻在底部必須設(shè)置外,還與建筑專業(yè)協(xié)商后,讓兩側(cè)各有一片剪力墻落地。這些無疑都大大增強了底部剛度。

        2)加大底部剪力墻厚度。轉(zhuǎn)換層以下剪力墻中,核心筒部分的厚度取為600mm,其余部分的厚度取為400mm。

        3)底部剪力墻盡量不開洞或開小洞,以免剛度削弱太大。

        4)提高底部柱、墻混凝土強度等級,采用C50混凝土。

        5)適當減少轉(zhuǎn)換層上部剪力墻數(shù)目,控制剪力墻厚度,并可在某些較長剪力墻中部開結(jié)構(gòu)洞,以弱化上部剛度。弱化上部剛度不僅對控制剛度比有利,還可減輕建筑物重量,減小框支梁承受的荷載;增大結(jié)構(gòu)自振周期,減小地震作用力。工程綜合采用上述幾種方法后, 轉(zhuǎn)換層上下剛度比在X方向為0.725,在Y方向為0.813,滿足規(guī)范要求,效果良好。雖然上下部剛度比滿足要求,但畢竟工程仍屬于豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)換層及其下各層為結(jié)構(gòu)薄弱層, 因而應(yīng)將該兩層的地震剪力乘以1.15的增大系數(shù)。

        (二)結(jié)構(gòu)平面布局

        工程底部為框架—剪力墻結(jié)構(gòu),體型簡單、規(guī)則;上部為純剪力墻結(jié)構(gòu)。在剪力墻平面布置上,東西向完全對稱,南北向質(zhì)量中心與剛度中心偏差不超過2m,結(jié)構(gòu)偏心率較小。除核心筒外,其余剪力墻布置分散、均勻;且盡量沿周邊布置,以增強抗扭效果。查閱計算結(jié)果, 扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比為0.85, 各層最大水平位移與層間位移比值不大于1.3,均滿足平面布置及控制扭轉(zhuǎn)的要求??梢姽こ唐矫娌季忠?guī)則合理,抗扭效果良好。

        三、 梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計與構(gòu)造

        由框支主梁承托轉(zhuǎn)換次梁及次梁上的剪刀墻,其傳力途徑多次轉(zhuǎn)換,受力復(fù)雜??蛑е髁撼惺芷渖喜考袅Φ淖饔猛?,還需要承受梁傳給的剪力,扭矩和彎矩,框支主梁易受剪破壞。對于有抗震設(shè)防要求的建筑,為了改善結(jié)構(gòu)的受力性能,提高其抗震能力,在進行結(jié)構(gòu)平面布置時,可以將一部分剪力墻落地,并貫通至基礎(chǔ),做成落地剪力墻與框支墻協(xié)同工作的受力體系。

        (一)轉(zhuǎn)換梁的設(shè)計與構(gòu)造要求

        轉(zhuǎn)換梁的截面尺寸一般宜由剪壓比計算確定,以避免脆性破壞和具有合適的含箍率。轉(zhuǎn)換梁不宜開洞,若需要開洞,洞口宜位于梁中和軸附近。洞口上、下弦桿必須采取加強措施,箍筋要加密,以增強其抗剪能力。上、下弦桿箍筋計算時宜將剪力設(shè)計值乘放大系數(shù)1.2。當洞口內(nèi)力較大時,可采用型鋼構(gòu)件來加強。

        轉(zhuǎn)換梁的混凝土強度等級不應(yīng)低于C30。轉(zhuǎn)換梁上、下主筋的最小配筋率非抗震設(shè)計時為0.3%,轉(zhuǎn)換梁中主筋不宜有接頭,轉(zhuǎn)換梁上部主筋至少應(yīng)有50%沿梁全長貫通,下部主筋應(yīng)全部貫通伸入柱內(nèi)。

        (二)框支柱的設(shè)計與構(gòu)造要求

        框支柱截面尺寸一般系由其軸壓比計算確定。地震作用下框支柱內(nèi)力需調(diào)整??拐鹪O(shè)計時, 框支柱的柱頂彎矩應(yīng)乘以放大系數(shù),并按放大后的彎矩設(shè)計值進行配筋;剪力調(diào)整———框支柱承受的地震剪力標準值應(yīng)按下列規(guī)定采用:框支柱的數(shù)目不多于10根時,當框支層為1~2層時,每層每根柱承受的剪力應(yīng)至少取基底剪力的2%;當框支層。為3層及3層以上時,各層每根柱所受的剪力應(yīng)至少取基底剪力的3%;框支柱的數(shù)目多于10根時,當框支層為1~2層時,每層每根柱承受的剪力之和應(yīng)取基底剪力的20%;當框支層為3層及3層以上時,每層框支柱承受剪力之和應(yīng)取基底剪力的30%;框支柱剪力調(diào)整后,應(yīng)相應(yīng)調(diào)整框支柱的彎矩及柱端梁的剪力、彎矩,框支柱軸力可不調(diào)整。

        框支柱全部縱向鋼筋配筋率,抗震等級一級時不小于1.2%,二級時不小于1.0%,三級時不小于0.9%,四級及非抗震設(shè)計時不小于0.8%??v向鋼筋間距抗震設(shè)計時不大于200mm,且不小于80mm,全部縱向鋼筋配筋率不宜大于4% 。

        (三)轉(zhuǎn)換梁的截面設(shè)計方法

        目前國內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計工作普遍采用的轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計方法。主要有:應(yīng)力截面設(shè)計方法。對轉(zhuǎn)換梁進行有限元分析得到的結(jié)果是應(yīng)力及其分布規(guī)律,為能直接應(yīng)用轉(zhuǎn)換梁有限元法分析后的應(yīng)力大小及其分布規(guī)律進行截面的配筋計算,假定不考慮混凝土的抗拉作用,所有拉力由鋼筋承擔鋼筋達到其屈服強度設(shè)計值。受壓區(qū)混凝土的強度達到軸心抗壓強度設(shè)計值。

        (四)轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計方法的選擇

        托柱形式轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計。當轉(zhuǎn)換梁承托上部普通框架時,在轉(zhuǎn)換梁常用截面尺寸范圍內(nèi),轉(zhuǎn)換梁的受力基本和普通梁相同,可按普通梁截面設(shè)計方法進行配筋計算。當轉(zhuǎn)換梁承托上部斜桿框架時,轉(zhuǎn)換梁將承受軸向拉力,此時應(yīng)按偏心受拉構(gòu)件進行截面設(shè)計。

        (五)托墻形式轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計

        當轉(zhuǎn)換梁承托上部墻體滿跨不開洞時,轉(zhuǎn)換梁與上部墻體共同工作,其受力特征與破壞形態(tài)表現(xiàn)為深梁,此時轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計方法宜采用深梁截面設(shè)計方法或應(yīng)力截面設(shè)計方法,且計算出的縱向鋼筋應(yīng)沿全梁高適當分布配置。由于此時轉(zhuǎn)換梁跨中較大范圍內(nèi)的內(nèi)力比較大,故底部縱向鋼筋不宜截斷和彎起,應(yīng)全部伸入支座。當轉(zhuǎn)換梁承托上部墻體為小墻肢時,轉(zhuǎn)換梁基本上可按普通梁的截面設(shè)計方法進行配筋計算,縱向鋼筋可按普通梁集中布置在轉(zhuǎn)換梁的底部。

        四、結(jié)語

        通過高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計的工程實踐,體會如下:根據(jù)建筑平面及功能要求合理選擇轉(zhuǎn)換層形式,正確選擇建筑抗震類別是轉(zhuǎn)換層設(shè)計的關(guān)鍵點,結(jié)合結(jié)構(gòu)布置,正確選擇各分部的抗震等級,構(gòu)件設(shè)計應(yīng)注重抗震延性設(shè)計的概念,對主要構(gòu)件進行加強是設(shè)計的重點。

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