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        高層建筑箱形轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計探討

        2014-04-29 00:00:00田田邢智泳
        基層建設(shè) 2014年20期

        摘要:目前高層建筑已經(jīng)成為主要的建筑形式,在城市現(xiàn)代化建設(shè)中發(fā)揮重要作用。為了滿足建筑不同功能的需要,在設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)時,也會采用不同的建筑設(shè)計方案。轉(zhuǎn)換層是現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中較為常見的一種結(jié)構(gòu)形式,現(xiàn)本文就主要探討了箱形轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計方法和技術(shù)措施。文章是以某高層建筑為例,對其計算和設(shè)計分別進(jìn)行了詳細(xì)探討,以供同類工程參考借鑒。

        關(guān)鍵詞:高層建筑;箱形;轉(zhuǎn)換層;結(jié)構(gòu)設(shè)計

        某高層建筑工程是位于某市中心的一個高檔住宅區(qū)建筑,總建筑面積為20萬m2,一共由5棟30層高層建筑組成,其中地上一層為酒店式大堂,地下有2層地下室,并且為了充分利用地下空間,5棟建筑的地下室是相互連通的。這樣一來,就為地下結(jié)構(gòu)的承重能力提出了較高的要求。且由于2層以上都是住宅部分,一般都是小開間,上層的柱結(jié)構(gòu)要比一層柱結(jié)構(gòu)更多,為了保證建筑的穩(wěn)定和安全,經(jīng)設(shè)計人員研究,決定采用框支剪力墻結(jié)構(gòu),并將地上二層設(shè)計為轉(zhuǎn)換層。以下本文就來談?wù)勗撧D(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案。

        1、結(jié)構(gòu)設(shè)計總體設(shè)想及面臨的問題

        在建筑相關(guān)規(guī)定中,本工程屬于丙類建筑,結(jié)構(gòu)安全等級為二級??拐鹪O(shè)防烈度為7度。為了確保建筑基礎(chǔ)的強度,采取了灌注樁和樁筏基礎(chǔ)進(jìn)行基礎(chǔ)施工。由于地下兩層和地上一層均為大開間,柱結(jié)構(gòu)較少。而地上二層以上均為小開間的住宅區(qū),結(jié)構(gòu)垂直方向受力不均勻,因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在研究后最終決定采用框支剪力墻結(jié)構(gòu)作為建筑的主體結(jié)構(gòu),并在地上二層設(shè)置箱形轉(zhuǎn)換層,箱高2.3m。這樣一來,就可以解決上部墻體無法落在框支梁上的受力問題,從而有效的增大建筑轉(zhuǎn)換層的抗壓能力、強度和整體剛度。并且通過箱形轉(zhuǎn)換層的上下層板還能在一定程度上改善框支梁的抗扭性。從而使整個建筑結(jié)構(gòu)的受力更為合理。

        另外,為了使建筑的總體剛度進(jìn)一步增強,還要對建筑的抗側(cè)力構(gòu)件進(jìn)行合理的布局設(shè)置,這樣還可以提高建筑的抗震性能與抗風(fēng)性能。設(shè)計中將核心筒剪力墻進(jìn)行落地設(shè)計,并在建筑物外圍設(shè)置了一定厚度的L型剪力墻,這樣可以借鑒獨立框支角柱的問題,還可以保證剪力墻的落地數(shù)量,協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換層上下結(jié)構(gòu)的剛度比。

        但是在具體的設(shè)計中,還面臨了一定的問題。這是因為本工程的結(jié)構(gòu)原本就較為復(fù)雜,再加上使用了箱形轉(zhuǎn)換層,更是增大了設(shè)計可行性的難度。如高寬比的設(shè)計,長寬比的設(shè)計可能會出現(xiàn)超限問題,不利于建筑達(dá)到預(yù)期的防震性能。為了能夠解決這些問題,保證建筑工程順利實施,設(shè)計人員通過計算分析等方式對箱形轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進(jìn)行了全面優(yōu)化。

        2、計算軟件與計算模型

        本工程采用SATWE和SAP2000軟件對結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行計算分析,其中箱形轉(zhuǎn)換層作為一層考慮,頂、底板考慮面內(nèi)變形和面外剛度影響,稱為計算模型A,箱形轉(zhuǎn)換層以下和以上各層結(jié)構(gòu)設(shè)計以此模型計算結(jié)果為主要依據(jù);同時,為使箱形轉(zhuǎn)換層內(nèi)的腹板(肋梁)設(shè)計更安全,在SATWE軟件計算中,將轉(zhuǎn)換層視為一般的轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)(忽略箱形轉(zhuǎn)換層底板的有利作用),首層結(jié)構(gòu)的層高取自該層柱底至箱形轉(zhuǎn)換層中部的距離,稱為計算模型B。箱形轉(zhuǎn)換層內(nèi)的肋梁設(shè)計,依據(jù)兩個計算模型的結(jié)果比較,主要參考模型B的計算結(jié)果,轉(zhuǎn)換層上、下樓層的側(cè)向剛度比和等效側(cè)向剛度比也以此計算結(jié)果為準(zhǔn),以便與現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范的側(cè)向剛度比規(guī)定相一致。設(shè)計中,對結(jié)構(gòu)方案、主要構(gòu)件截面尺寸,通過反復(fù)計算比較,進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

        3、結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

        3.1結(jié)構(gòu)計算周期、剪重比、扭轉(zhuǎn)位移比

        結(jié)構(gòu)計算周期偏短,主要是因為轉(zhuǎn)換層上部住宅部分剪力墻較多、轉(zhuǎn)換層下部因結(jié)構(gòu)樓層剛度比要求而使構(gòu)件截面尺寸(如墻厚)加大所致。結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一周期與平動為主的第一周期之比為0.63,不大于0.85,滿足規(guī)范要求。從結(jié)構(gòu)振動形態(tài)看,本工程的結(jié)構(gòu)平面置較均勻,平扭藕聯(lián)現(xiàn)象不顯著。

        水平地震作用下,各層最小剪力系數(shù)、層間位移均滿足規(guī)范要求??紤]質(zhì)量偶然偏心后,X向地震作用下,樓層內(nèi)最大位移與平均位移之比均不超過1.20,多數(shù)在1.05左右;Y向地震作用下,大多數(shù)不超過1.35。

        3.2樓層側(cè)向剛度比

        按照樓層剪力與層間位移的比值計算轉(zhuǎn)換層與其上層的側(cè)向剛度比,X方向為0.867,Y方向為0.776,均大于0.5(轉(zhuǎn)換層要求)和0.7(一般樓層要求),符合規(guī)范規(guī)定。

        因為本工程首層較高,彎曲變形明顯,按照高層規(guī)程計算轉(zhuǎn)換層上、下樓層的等效側(cè)向剛度比,X方向為0.44,Y方向為1.16,均不大于1.3,滿足要求。

        3.3箱形轉(zhuǎn)換層計算和設(shè)計

        本工程箱形轉(zhuǎn)換層的肋梁與頂、底板形成整體結(jié)構(gòu),肋梁與普通獨立梁的受力形態(tài)有所不同,但基本上仍是偏心受拉構(gòu)件,按普通轉(zhuǎn)換梁計算頂、底的縱向鋼筋,并符合普通轉(zhuǎn)換梁的構(gòu)造要求,其結(jié)果是偏于安全的,但腰筋的配筋量同時應(yīng)符合計算模型A的水平分布鋼筋要求。肋梁計算配筋普遍不大,除個別梁段外,縱向鋼筋配筋率均不超過1%,抗剪配筋基本為構(gòu)造要求。肋梁頂、底部縱向鋼筋可采用工字形截面梁的配筋方式,翼緣寬度可取板厚的8-10倍(中梁)或4 ~5倍(邊梁),縱向鋼筋的70% -80%配置在翼緣中部1 /2寬度內(nèi)。

        另外,根據(jù)SAP2000的計算結(jié)果進(jìn)行內(nèi)力組合,計算轉(zhuǎn)換層頂、底板的配筋,X方向(水平方向)計算結(jié)果見表1.Y方向計算結(jié)果也有類似形態(tài),本文從略。

        表1 轉(zhuǎn)換層頂、底板配筋計算結(jié)果(X方向)

        以上計算結(jié)果清晰地顯示:箱形轉(zhuǎn)換層是整體受力的,與普通梁式轉(zhuǎn)換層受力有較大區(qū)別。若為普通200mm樓板,在肋梁分割的板塊中,按局部彎曲計算則基本不需要計算要求的配筋,但箱形轉(zhuǎn)換層頂、底板按整體受力的偏拉或偏壓構(gòu)件計算,仍需較大配筋。

        4、箱形轉(zhuǎn)換層對框支柱的影響

        通過SATVVE程序,分析結(jié)果進(jìn)一步表明,箱形轉(zhuǎn)換層整體性較好,使得框支柱受力更均勻。為最終確定框支柱設(shè)計配筋,詳細(xì)分析了SAP2000程序的計算結(jié)果,按我國規(guī)范規(guī)定,要求框支柱承受至少20%的基底剪力,從而計算出框支柱地震剪力調(diào)整系數(shù)(X方向為7.93倍,Y方向為15.17倍),最后再按我國規(guī)范的規(guī)定進(jìn)行內(nèi)力組合、內(nèi)力調(diào)整和截面配筋設(shè)計。在對計算結(jié)果反復(fù)對比研究、分析、判斷后,綜合確定了框支柱的截面配筋。

        5、結(jié)束語

        總之,在通過詳細(xì)的計算分析和設(shè)計優(yōu)化后,本工程最終得到了結(jié)構(gòu)性能較為良好的箱形轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu),其受力分布較為均勻,很好的解決了建筑的上下受力問題,并且要比普通的梁式轉(zhuǎn)換層效果更好,設(shè)計更方便,結(jié)構(gòu)更安全。但若干,在框支剪力墻的柱設(shè)計中,一定要充分考慮到空間的整體作用,對設(shè)計方法進(jìn)行比較分析,最終設(shè)計出優(yōu)秀設(shè)計方案。本工程的箱形轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計方法可以供同類工程的設(shè)計人員借鑒參考。

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