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建筑结构设计中的梁式转换层结构设计的应用

2020-07-18 265 上传者：管理员

摘要：随着建筑行业的快速发展,以及城镇化进程的加快,越来越多高层建筑出现,但是高层建筑对技术要求很高,传统的建筑结构设计技术已经无法满足高层建筑功能的需要。为此,采用梁式转换层结构可以提升高层建筑功能转化效率,是一种专门应用于高层建筑工程结构设计中的形式。文章将在分析梁式转换层结构相关概念的基础上,对其中重要的设计要点和几个主要构件的具体设计进行阐释说明。

关键词：
建筑结构
梁式转换层
结构设计
高层建筑
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1、梁式转换层概述

1.1 转换层的类型和特点

转换层可以根据建筑的功能分为以下几种结构:第一种,梁式转换层,该结构主要被用在底部大空间的框架剪力墙结构中,能够将上部剪力墙转换为下部框架结构,从而形成不落地的剪力墙。在需要横纵向同时转换时应采用双向梁布置,该结构的设计施工相对简单且传力结构明确,在实际建筑结构设计中得到了广泛的应用。

第二种,箱式转换层,该结构主要被应用在转换梁截面较大的情况中,在转换梁的梁顶和梁底部同时设置一层楼板形成一个箱形梁,该结构可以全层转换布置,具有约束性强、刚度大、整体效果好、上下部结构均匀的优势,但是该结构需要开大量的设备洞,施工相对复杂且总体成本较大。

第三种,厚板式转换层,该结构主要被应用在上下柱网错位较多且无法用梁体直接承托的情况下,板式转换层的厚度可以结合柱网的实际尺寸和上下部结构的荷载情况来确定,该结构具有下部柱网布置较为灵活、厚板刚度较大、整体性好、施工简便的优势,但由于厚板自身有较大的重力,地震作用大容易在地震时产生自我破坏,且对材料的用量较大,整体成本较多。

1.2 梁式转换层结构的工作原理

以结构布置来划分,可将转换层转换情况分为以下几种:第一,不改变上下层的柱网与轴线,只在轴柱结构进行转换。第二,改变上下部结构,包括上部剪力墙结构和下部框架结构,转换层的作用是将上部结构转换为下部框架结构,形成一个不落地的剪力墙。第三,对结构的轴线和结构的形式同时转换,能够最大限度避开柱网线与上部轴线。

梁式转换层在转换时的工作机制,是在转换层上一层地板位置设置交错转换大梁用来承托上部竖向上的传力构件,为了满足最大的荷载采用钢筋混凝土转换大梁,由于梁式转换层结构简单,所以布置时可采取横向或纵向方式布置。具有施工简单、成本较低的优点,但是其抗震性能较差,且现场施工所需设备和管道众多,在设计施工中要充分考虑上述所有因素才能达到提高转换层结构质量的效果。

2、梁式转换层结构设计要求

2.1 抗震设计

转换层的位置越高该转换层的抗震能力就越差,为此在进行设计时一方面应保证转换层结构的刚度,另一方面要增强抗震设计,规范对转换梁高度、材料、剪力墙及其重要构件的布置。首先,要求转换梁的高度大于宽度的20%,材料选择高性能高等级的混凝土材料。当建筑底部空间较大时,应控制框支剪力墙结构层数在6层内,若使用的转换层的上下结构刚度较好,则上下部内力变化不会很明显,可适当提高转换层的高度。

另外,可根据建筑物的抗震等级要求进行合理的转换层高度调整。最后,采用梁式转换层结构,必须严格按照技术规范进行转换柱和剪力墙的设置,确保两者中心对称。剪力墙应设置在转换柱中间,减少竖向转换构件可避免功能转化效率降低的问题,同时为避免影响结构的稳定性,应适当控制转换构件数量,以提升整个建筑结构的抗震性能。

2.2 结构布置

结构布置分为竖向布置和平面布置,在竖向布置时要求下部刚度应大于上部刚度,且应避免刚度的突然变化,在建筑工程梁式转换层结构中,上下等效侧向刚度比应接近1,在设计时注意强化下部结构而弱化上部。具体操作方法如下:第一,与建筑专业协商,尽量让剪力墙落地必要时可通过在底部增加剪力墙来增加底部的刚度。第二,在转换层以下的剪力墙部分可通过适当增大厚度来强化下部。第三,尽量在底部剪力墙中少开洞或开小洞,避免对底部刚度削弱太大。

进行平面布局时可以通过框架剪力墙结构作为底部施工,其体型简单规则;上部则可以采用纯粹的剪力墙结构。此外平面布置时需要确保东西的对称性,将中心以及刚度的误差控制在一定范围内,还要进一步降低建筑结构的偏心率。在剪力墙布置过程中要确保其分散的均匀性,通过周边均匀分布的方式,进一步加强抗扭性能。

3、梁式转换层结构构件设计

3.1 框支柱设计

轴压比和剪压比决定了框支柱的截面尺寸,为了使框支柱有更高的延性就必须控制轴压比。对于建筑工程的框支柱而言,其抗震等级是一级,所以轴压比的设置不能超过0.6。其次,柱截面的延性还和配箍率有很大的关系,所以框支柱的配箍率一般比普通框架柱的大,箍筋需要加密且不能低于1.5%。在建筑工程中,对于既做框支柱又冲淡剪力墙端柱的还要求约束边缘构件配箍特征值不可低于0.2。

框支柱作为建筑工程梁式转换层结构中的重要构件之一,必须保证其质量和安全性,所以要求每一层承受建剪力的和应是基底剪力的30%左右。在计算时若楼板的刚度无限大,则需要对水平剪力进行竖向的构件刚度分配工作,该过程中要保障底部的剪力墙刚度大于框支柱的刚度,避免剪力下降等施工问题发生。在框支柱设计过程中,可以进一步强化转换层的上下连接,避免框支柱剪力过大导致的施工问题发生。施工企业可将框支柱的上部墙体范围中的纵筋伸入到上部墙体内,其他纵筋则应该水平锚入到转换层的梁板中。

3.2 框支梁设计

剪压比决定了框支梁的截面尺寸,其宽度不能小于上部墙厚的2倍,但是不能太小,高度则不能小于计算跨度的1/6。由于建筑工程梁式转换层结构中的框支梁受力情况十分复杂,不仅需要承受上部荷载,还需要有足够的能力提升剪力墙的抗震性能,所以,在设计中应根据对框支梁的要求将其纵筋配筋率设置大于0.4%,且需配置足够数量的腰筋来使梁中也可以承受荷载,腰筋设置时要求沿梁高距离不能大于200 mm,且能够可靠地锚入到支座中。由于框支梁的受剪能力较强,所以在纵筋充足的情况下必须增强箍筋并做好加密设置。

3.3 转换层楼板设计

转换层将上部分成剪力墙结构,将下部分成框架结构,在上部结构中根据剪力墙的等效刚度比例来分配外荷载产生的水平力,而下部结构中由于框支柱和落地剪力墙之间存在较大的刚度差异,水平剪力主要作用在落地剪力墙中。作为承担上下部结构荷载分配的重要构件,转换层的楼板设计非常关键,其自身平面内受力较大且变形较大,因此必须提高转换层楼板的刚度,采用高等级高质量的混凝土材料,且控制厚度不能低于200 mm,提高配筋率至少在0.3%左右。为使转换楼板更好地发挥分配上下两个结构应力的作用,可适当增强该层以上两层和以下两层楼板的厚度。

4、结语

综上所述,在建筑工程结构设计中,对于带有转换层结构的高程建筑,在进行梁式转换层结构设计时会受到诸多因素的干扰而可能无法实现设计目标,所以为保证建筑结构设计和具体情况相符,应尽量遵循布置规则、均匀、对称的原则,尽量使横纵向布局和上下刚度靠拢,注意对特殊构件,如框支柱和框支梁的设计优化。此外,考虑到转换层结构设计较为复杂且工程量很大,需要将概念设计和结构设计结合起来,注意在充分掌握相关原理、数据的基础上再使用合适的设计方法来实现最优设计效果。

参考文献：

[1]闰森,周兰翎,查小鹏,等.浅析带梁式转换层的高层建筑结构设计[J].河南建材,2016(4):181,182.

任伟鑫.建筑结构设计中的梁式转换层结构设计分析[J].智能城市,2020,6(12):35-36.