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有梁式转换层的高层建筑结构设计探讨范文

时间:2022-06-15 10:36:51

有梁式转换层的高层建筑结构设计探讨

摘要:针对某高层建筑实际情况,对其转换层技术方案、结构整体设计与转换梁设计进行深入分析,以此为同类工程项目的设计提供参考借鉴。关键词:高层建筑;梁式转换层;建筑结构设计前言在高层建筑中,转换层结构有重要作用,是保证功能正常发挥和建筑正常使用的关键构件,同时也是建筑结构设计过程中的重点,应引起相关设计人员的高度重视,以保证设计的合理性。

1工程概况

某高层建筑总建筑面积约2.6万m2,地上22层,设1层地下室,其中,地上1层至地上4层主要用于商业,地上1层的层高为5m,地上2层至地上4层的层高为4m,结构形式为框筒结构。地上5层至地上20层主要用于居住,层高均为3m,结构形式为剪筒结构。地上21层至地上22层的层高均为3m,为屋面水箱与电梯机房。按照以上设计形式,需在地上4层和地上5层中间布置转换层,并作为建筑的设备层。现围绕本高层建筑实际情况,对其结构设计作如下深入分析。

2高层建筑结构转换层技术方案

在高层建筑中,转换层形式主要有以下几种:箱形转换层、梁式转换层、桁架式转换层与板式转换层,以上转换层均可产生较大的空间,对结构类型或者是轴线进行转换。上述几种转换层结构中,以梁式转换层的实际受力最为明确,无论是设计还是施工均较为简单,在目前得到了十分广泛的应用;另外,转换梁上实际受力相对较小的部分,可按照设计要求开洞,用于满足不同的功能要求,为综合管线布置创造便利。基于此,本高层建筑主要选用梁式转换层结构。该转换层的高度为2.5m,梁体的上端、下端和楼板直接相连,上、下层楼板的厚度分别为200mm和300mm[1]。剪力墙直接被转换梁承托。结构主要采用C40混凝土。其截面尺寸采用以下公式进行计算和确定:Vmax≤0.17fcbh0/γRE(1)式(1)中,Vmax表示转换梁支座截面最大剪力组合设计值;γRE表示抗震调整系数;fc表示轴心抗压强度;b表示转换梁的截面宽度;h0表示转换梁的有效高度。经计算,本高层建筑转换梁的截面宽度为900mm,有效高度为2500mm。

3高层建筑结构整体分析

对转换梁而言,它属于典型的杆件,能直接视作梁单元在高层建筑整体结构分析过程中使用,将梁体轴线确定在上层楼板,楼板的下方为转换层结构[2]。为有效避免由于竖向刚度变化较大产生薄弱层,在设计过程中应充分考虑刚度比,在没有特殊要求的情况下,刚度比应接近1:γ=Gi+1Ai+1hiGiAihi+1(2)式(2)中,Gi表示第i层结构的剪变模量;Gi+1表示第i+1层结构的剪变模量;Ai表示第i层抗剪截面在折算后的面积;Ai+1表示第i+1层抗剪截面在折算后的面积;Aw表示沿计算方向剪力墙结构截面积;Ac表示柱截面积;hi表示第i层层高;hi+1表示第i+1层层高。按照上述要求和规定,处在转换层结构以下的柱,其截面尺寸确定为1100mm×1100mm,剪力墙结构的厚度为500mm和450mm,采用C45混凝土;处在转换层结构以上的剪力墙,周围剪力墙结构厚度为350mm,内部剪力墙结构厚度为250mm,采用C45混凝土。采用式(2)对x、y两个方向上的刚度比进行计算,结果为1.73与1.51。从计算结果可以看出,结构的第一到第三自振周期分别为:在x方向上,第一到第三自振周期分别为1.537s、0.449s和0.224s;在y方向上,第一到第三自振周期分别为1.717s、0.515s和0.275s[3]。

4高层建筑转换梁设计

对于转换梁结构,其直接承托处在转换梁上部的剪力墙,受力相对较大,对保证结构稳定性与安全性有重要作用,为关键构件。由于转换梁的跨度在8.05~9.00m范围内,截面高2.5m,且跨高比在3.22~3.60范围内,所以为典型的连续短梁。因现行规范并未给出连续短梁的承载力计算与分析方式,所以应进行试验分析与研究[4]。

4.1结果与分析

将按1:5的比例缩小的转换梁作为试验梁,其截面尺寸与配筋如图1所示。从从试验梁的试验分析结果可以看出:(1)在正截面上产生的平均应变,能满足平截面基本假定。(2)对于斜裂缝,先在加载点到中支座的内剪跨区段的梁腹中部产生,为典型的腹剪式斜裂缝,经发展后,变成临界式斜裂缝。(3)顶部纵筋与底部纵筋在梁长方向上的应变如图2所示。从以上结果可以看出,斜裂缝产生以前,应变分布和弯矩图基本保持一致;而斜裂缝产生以后,和弯矩图有很大的差别,这说明梁中应力出现重分布;在到达临界破坏状态后,底部纵筋在梁长方向上将处在受拉的状态,同时对于顶部纵筋,其在内剪跨中,同样也处在受拉的实际状态[5]。(4)当试验梁发生破坏时,在内剪跨区段中,直接穿越整个临界斜裂缝区域的箍筋,将开始受拉屈服,使剪压区中的混凝土发生压疏;在外剪跨区段当中,箍筋实际应变只有屈服应变的一半左右,这一区域内的混凝土不会发生压疏。(5)当试验梁发生破坏时,直接穿越整个临界斜裂缝区域的腹筋,其拉应变只有屈服应变一半,由此可以看出,腹筋并未发挥其应有的强度与作用。(6)对试验梁而言,其相对挠度可以达到1/526,这在很大程度上说明转换梁具有一定抗弯刚度。

4.2承载力的计算

根据以上第一条试验结果,对于转换梁结构正截面上的受弯承载力,其计算可直接按照普通梁进行。根据以上第四条和第五条试验结果,对于转换梁结构斜截面上的受剪承载力,由箍筋与混凝土负责承担,腹筋对斜截面上的承载力有11%左右的贡献。基于此,在实际的设计过程中,对腹筋作用可不予考虑。

4.3构造要求

根据以上第三条试验结果,为有效保证纵筋充分发挥拉杆作用与效果,以此形成稳定的受力体系,处在底部的纵筋一般不允许在跨中产生截断与弯起,需要伸入到支座当中,同时有稳定可靠的锚固;而处在顶部的纵筋,跨中周围不能过早发生截断,在条件允许的情况下进行通长布置[6]。对于转换梁结构,且截面尺寸相对较大,在梁高方向上需配置腹筋,腹筋能提供受剪及受弯承载力,这样无论是减少收缩还是延缓开裂,都具有重要作用。截面尺寸主要根据剪压比进行控制,根据以上第二条试验结果,同时结合深梁及腹梁等的截面尺寸规范要求,转换梁的实际截面尺寸必须符合式(1)要求。

5结束语

通过以上分析可得,梁式转换层结构的受力十分明确,而且在设计与施工上也较为简单;本高层建筑所用转换梁结构为典型的连续短梁,无论是构造要求、受力性能还是承载力的设计计算,都和普通梁存在很大的不同,需要在设计过程中予以特别重视,保证设计的合理性与可行性。

参考文献

[1]姚建勇.有梁式转换层的高层建筑结构设计研究[J].低碳世界,2016(34):168~169.

[2]肖礼斌.有梁式转换层的高层建筑结构设计与研究[J].建材与装饰,2014(41).

[3]候楠.有梁式转换层的高层建筑结构设计分析[J].居舍,2017(24):20~22.

[4]李云.有梁式转换层的高层建筑结构设计与研究[J].低碳世界,2016(24):150~151.

[5]覃永叙.有梁式转换层的高层建筑结构设计[J].中华民居(下旬刊),2013(9):36~37.

[6]刘志学.有梁式转换层的高层建筑结构设计[J].房地产导刊,2013(21):21~23.

作者:谢兴华 单位:华蓝设计(集团)有限公司

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