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高層建筑轉換層結構設計的分析

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　摘 要：隨著社會以及科技的進步，高層建筑也已經在不斷的發(fā)展起來，而且在不斷地向著多樣性以及空間的多變形等綜合性方向發(fā)展，而在高層建筑中一個主要的趨向就是轉換層結構工程，本文就帶轉換層的高層建筑對各種轉換型式進行評述，提出轉換層結構設計中應注意的幾個問題，并相應地給出概念設計的措施。

　　一、轉換層結構的幾種型式及其設計特點 　　目前高層建筑的發(fā)展趨勢，既集吃、住、辦公、娛樂、購物、停車等多功能為一體的綜合型建筑。但由于空間功能的復雜化，使得建筑結構也隨之變化。為了適應上部小空間下部大空間的功能需要，需在兩種結構的交接部位設置過渡結構，也就是所謂的轉換層。因高層建筑結構的多樣性，也呈現多種形式： 　　1、轉換層形式一：板式轉換 　　整體來講，板式轉換的力學性能和經濟指標均較差。當上下軸網變化但仍正交時，可采用正交主次轉換梁的結構型式來實現轉換。板式轉換最大的優(yōu)點是可以在轉換層以上隨意布置結構型式和軸網，特別適用于建筑物上下部軸網錯位復雜甚至互不正交的情況。由于抗剪和抗沖切的需要，轉換板厚一般在2M以上，這一方面造成轉換層質量和剛度的突變，在地震作用時結構反應增大，轉換層上下相鄰層更成為結構薄弱層，不利于建筑物抗震;另一方面由于自重和地震作用的增加，下部豎向構件的荷載明顯增大，設計難度大。 　　2、轉換層形式二：梁式轉換 　　實際工程中，轉換層常兼作設備層，轉換梁腹部要開設洞口以便設備管道的通過，因此轉換梁的計算模型可根據開洞與否以及洞口的相對大小分別取為實腹梁、開孔梁、雙梁和空腹桁架等。梁式轉換具有傳力路徑清晰快捷，施工方便，構造簡單，工作可靠等特點，轉換梁的截面尺寸主要由其抗剪承載力決定，但可通過加腋或采用鋼骨混凝土、預應力混凝土等方法來減小截面尺寸。在進行轉換梁設計時，要特別注意對轉換大梁與上部結構共同工作程度的分析。 　　3、轉換層形式三：桁架轉換 　　桁架分為空腹桁架與實腹桁架兩種。桁架轉換層與梁式轉換相比，受力狀態(tài)更明確，可使用空間更大，自重小，抗震性能好，但其節(jié)點設計難度大，“強斜腹桿、強節(jié)點”是桁架轉換層設計的基本原則，而節(jié)點的受力狀態(tài)復雜，容易發(fā)生剪切脆性破壞，造成計算配筋多，施工不便，限制了桁架轉換的應用。 　　4、其它轉換型式 　　其它轉換型式包括： 　　(1)巨型框架它由豎向筒體或巨型柱與一道或多道大梁組成，具有良好的抗震性能，是目前國內建筑結構發(fā)展的一個重要方向。巨型框架要采用模擬施工過程的設計方法，在未形成巨型結構之前應合理地解決臨時支撐和保證足夠的抗側剛度;巨型梁以下幾層范圍內的柱內存在拉應力，應按受拉構件進行設計。 　　(2)斜柱轉換式可以較好地發(fā)揮混凝土的受壓性能，形成更多更好利用的建筑空間。斜柱轉換中會產生較大的水平荷載，在實際工程中可以結合建筑物的平面布置，通過加設圈梁或拉梁，使其以最短的路徑相互平衡，轉換斜柱盡可能通過較多的樓層，以減小其在上下樓層產生的水平力，使轉換層設計更加方便。 　　二、高層建筑轉換層結構的設計原則 　　轉換層結構的概念：指在整個建筑結構體系中，合理解決豎向結構的突變性轉化和平面的連續(xù)性變化的結構單元體系，為了滿足城市建筑功能的要求,那么結構必須以與常規(guī)方式相反進行布置，上部小空間，布置剛度大的剪力墻，下部大空間,布置剛度小的框架柱。轉換層的設置造成建筑物豎向剛度的突變，地震作用時在轉換層上下容易形成薄弱環(huán)節(jié)，對結構抗震不利，所以在設計轉換層結構時應遵循以下原則： 　　1、布置轉換層上下主體豎向結構時,注意使盡可能多的上部豎向結構能向下落地連續(xù)貫通,尤其框架核心筒結構中核心筒應上下貫通. 　　2、弱化上部，強化下部，抗震設計時應保證轉換層上、下部主體結構的總剪切剛度比值滿足下式：式中： 分別為轉換層上部第I 樓層、下部第J 樓層的主體豎向結構總剪切剛度。 　　3、盡可能減少需結構轉換的豎向構件，直接落地的豎向構件越多，轉換結構越少，轉換層造成的剛度突變就越小，對結構抗震更有利。 　　4、優(yōu)化轉換層結構。選擇具有明確傳力路徑的轉換層結構型式，以便于結構分析設計和保證施工質量。 　　5、將轉換結構作為整體結構中一個重要組成部分采用符合實際受力變形狀態(tài)的計算模型進行三維空間整體結構計算分析.必要時可采用有限元方法對轉換結構進行局部補充計算。 　　三、轉換層結構設計中應注意的問題 　　1、與建筑專業(yè)的相配合 　　為了滿足建筑的需要，因此高層建筑轉換層結構型式的選擇必須與建筑相互配合。 　　(1)轉換層結構型式的選擇應與建筑外觀相結合，如巨型框架、拱式轉換等型式不僅具有良好的受力性能，而且能滿足該類型建筑外觀的要求; 　　(2)轉換層結構必須服從于建筑功能的實現，實際工程中常常將設備層兼作轉換層，此時轉換層中要有足夠的空間讓設備管道通過，當洞口尺寸超出開孔梁允許范圍時，宜用實腹或空腹桁架代替梁式轉換。 　　2、轉換層結構剛度的合理選擇 　　在進行轉換層結構設計時，存在著轉換層結構剛度合理值的問題。當轉換層剛度過大時，一方面引起地震反應和結構豎向剛度的突然增大，使轉換層上下層處于更加不利的受力狀態(tài)，另一方面材料用量增加，結構經濟性不合理。當轉換層剛度過小時，上部框支部分的豎向構件與其它豎向構件之間可能出現較大的沉降差，從而在上部結構中與該部分豎向構件相連的水平構件中產生明顯的次應力，導致其配筋增加。 　　3、轉換層下部主體結構的剛度分布 　　對于轉換層結構來說：豎向剛度突變也是最復雜的問題，是不可避免的。為了保證轉換層結構上下層主體結構的總剪切剛度滿足要求，抗震設計時，常常要采用加大轉換層下部主體結構豎向構件截面尺寸、提高其混凝土強度等級、增設剪力墻等方法。 　　4、逆向轉換 　　逆向轉換是一種轉換層類似倒置的常規(guī)轉換層特殊的結構，故稱為逆向轉換層。斜柱轉換和桁架轉換傳力路徑明確，剛度較小，最適用于逆向轉換層結構，在工程中可結合實際情況選用。當建筑物外觀或使用功能要求柱網上疏下密時，下部柱網中由于各柱承受荷載的差異導致相互間的豎向壓縮位移差，在下部結構的水平構件中產生較大的次應力。為了避免由此引起的結構問題，在柱網發(fā)生變化處必須設置轉換層，以調整下部柱網中各柱的荷載趨于均勻。 　　四、注意事項 　　1、結構轉換層型式多且各具特點，設計時應結合工程實際情況加以選用，對于復雜工程可采用多個方案綜合比較和選用的方法。 　　2、注重轉換層結構的概念設計，合理的結構平面和豎向布置可以從整體上形成良好的抗震體系，保證建筑物的安全性和經濟性。 　　3、在框架,框架或短肢剪力墻,框架的正交主次轉換梁式轉換層設計中，應注意選擇適當的轉換梁剛度，減小由于轉換次梁的支座沉降引起的次應力。 　　4、在加強轉換層下部結構時，要避免由于剛度分布不均勻引起扭轉或剛度過于集中而導致不安全。 　　五、結束語 　　高層建筑體現一個城市建設的基本特色，承載著城市發(fā)展過程的信息。為此，高層建筑的發(fā)展也是塑造城市新特色的重要條件。然而如何將現代的高層建筑更更好的與城市建筑中的各個因素相應的結合起來,有效地把建筑風格融合到城市的環(huán)境中去設計，是每個建設者需要考慮的問題。
發(fā)布：2007-07-25 10:44    編輯：泛普軟件 · xiaona    [打印此頁]    [關閉]
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