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转换层设计在建筑结构设计中的应用

2019-03-15 围观 : 评论 论文发表
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金人伟

摘要:在现代建筑工程中,由于人们使用需求的不同,所以在进行商建住宅建设时,通常采用转换层来满足不同用户的使用需求,这也是高层建筑发展的必然趋势。本文在对于建筑结构设计中转换层的功能及主要类型分析的基础上,从转换层的设计原则入手,提出建筑结构中的转换层设计的建议。

关键词:建筑结构设计;转换层;原则;建议

前言

随着我国国民经济的快速发展,城市建设用地越来越紧张,为了提高土地的利用价值并满足建筑艺术造型及其不同使用功能的需求,房屋的高度不断增加,房屋的结构形式也越来越复杂,从框架结构、剪力墙结构、框架一剪力墙结构、简体结构到各种转换、连体、错层等等,各种复杂结构形式不断被应用。考虑到同一单体上下层建筑功能的不同要求,转换层的使用解决了高层建筑底部大空间使用功能的要求,转换结构存在传力不直接、刚度突变等问题,应采取足够的加强措施以满足正常使用和抗震要求。

1建筑结构设计中转换层的主要功能及类型

1.1转换层的主要功能

近些年来,随着经济的持续快速增长,人们对于建筑物尤其是高层建筑的需求呈现出一种多元化、全面化和综合化的趋势,在生活中也能进场见到下部为大型商场或者娱乐场所而上部为民用住宅的建筑。单从这类建筑的功能来看,其上部主要是需要有更多的墙体来进行空间的分隔,从而满足不同住户对于住宅户型的要求,下部则主要是以创建更大的灵活空间为主。转换层设计中为针对不同建筑功能的需要,在有较大的层高作保证时可以作为正常的楼层使用,同时在层高受到限制或者处于设备需要时,也可以作为设备层。

1.2转换层的主要类型

转换层的不同设计类型主要是由于不同的建筑功能需要而决定的,其主要类型可以分为以下几种:

(1)箱式转换层。箱式转换层的设计主要是基于转换梁截面过大,且一层楼板不能满足平面内楼板刚度的假定值而考虑的,为了确保假定值和实际值更相符,可以采用在转换梁底和梁顶之间设置一层楼板,从而形成箱形梁。该转换结构一般情况下适合遍布整个层面,并在建筑周边环通,最终形成箱式转换层。其具有约束性强、转换梁刚度大且上下部传力均匀的优点,同时还可以将其作为设备层。但是该类型的转换层在设计过程中需要增开的设备洞相对较多,施工技术较为复杂,随之带来的也是较高的造价问题。

(2)梁式转换层。梁式转换层一般是采用底部大空间的框支剪力墙结构体系,其主要是将上部剪力墙固定在框支梁上并在框支柱的支撑作用下形成的结构体系,在需要进行纵横向的转换时,会相应的采用双向梁布置。该类型的转换层具有着施工简单、传力准确的特点,是目前在建筑结构设计中较常采用的转换形式。但是其也有一定的缺点,比如在进行上下轴线错位布置时,需要增设的转换梁次较多,会造成其空间受力情况较为复杂。

(3)桁架式转换层。桁架式转换层主要是在高层建筑结构下部为大型商场、上部为中小型写字楼或者是住宅用房,并且需要设置相应的设备层时所常用的一种结构形式。其上部柱墙可以通过桁架传至下部柱墙,并且在桁架间的空间可以分设所需的管道。在进行桁架式转换结构设计时,一般情况下适合采用整层布置,并且各节点之间应与墙肢形心对中。该结构类型在施工中具有较高的复杂程度,同时其在进行轴线错位布置时的难度也相对较大。

(4)厚板式转换层。在上下柱网错位较多并且不能用梁进行承托时,就需要采用板式转换层。其中厚板的规格以及厚度是由柱网尺寸以及上部结构载荷而决定的。该结构类型具有灵活性大、受结构布局影响较小的优点,且由于其厚板具有较大的刚度,能够形成一个整体性较强的承台,便于施工。

2建筑结构设计中的转换层设计原则

建筑结构设计中的转换层主要起到承上启下的功能作用,其设计对建筑工程具有相当重要的经济意义与功能意义,对转换层进行科学合理设计不仅能避免建筑资源的浪费还能杜绝一定的建筑结构安全隐患,其在设计过程中应遵循以下设计原则:

首先,在转换层设计过程中应尽量减少结构转换的竖向构件,应尽可能的多采用直接接地的构件,其能有效避免建筑刚度的减小,对建筑物抗震性能的提升有着重要的作用。

其次,转换层的设计位置不能偏高,应尽可能的靠近底层位置。主要是由于建筑框支剪力墙结构的传力途径以及刚度发生变化时会直接造成转换层成为薄弱层,很大程度上降低了建筑物的抗震性能。

再次,在进行转换层的设计时应注意传力路径的明确性,并且确保转换层的刚度。由于转换层结构本身起到的是结构转换作用,所以应保持其自身的受力平衡性。

第四,要对剪力墙以及框支剪力墙的比例进行综合考虑,保證其横向落地剪力墙的数目超过横向墙的50%。

第五,为了避免立柱柱角发生变形,在进行转换层设计时应保持其上部柱子和剪力墙的对称分布,将梁上立柱设置在转换梁垮中,从而避免转换梁变形作用下产生的支柱柱角变形加大。

3概念设计与结构布置

转换结构选型与布置:转换结构的突出特点是竖向抗侧力构件不连续,部分竖向构件不能落地,致使竖向荷载不能直接传至基础,较大竖向荷载均通过下部框架结构下传至基础,由此造成下部结构构件受力复杂,内力较大,因此GB 50011-2010建筑抗震设计规范、JGJ13-2010建筑混凝土结构技术规程对于转换结构的转换构件设计、整体结构控制指标、配筋及相应节点构造措施给出了明确的规定,以此确保上部剪力墙结构与下部框架结构的可靠连接及整体结构的安全性。梁式转换结构相对较为经济,荷载传递明确,现有该类转换结构竣工建成项目较多,设计理念及施工工艺非常成熟,不存在理论与技术实施难题,因而本项目选用梁式转换结构。转换层的存在使得主体结构上下不同结构类型交界处刚度突变,刚度骤变对于地震作用尤其不利,结构方案设计应尽量避免侧向刚度的不连续,尽量使得两种不同结构交接位置刚度连续均匀变化。为解决抗侧力构件刚度交接位置刚度突变的问题,转换层结构设计过程中要注意如下两点:(1)避免剪力墙全抬,确保一定数量的剪力墙起落地,增大底部剪力墙墙体厚度,适度加大框支框架柱的截面,以此在确保上下部刚度一定连续的程度上加大底部框架的刚度:(2)针对上部剪力墙结构,宜适度增大墙肢间距,缩小剪力墙长度、减少墙体数量等措施,调节转换层上下刚度达到均匀变化,平稳过渡,避免抗侧刚度剧变,上部结构通过少量剪力墙与核心简一起承担水平侧向力。此外为确保单片剪力墙自身的稳定性,墙体布置时宜结构建筑功能分区,将剪力墙布置为T形、L形、C形为宜。底部框支框架在布置时也宜结构建筑功能划分,将可以下落的剪力墙落地,在大空间区块布置框支柱作为竖向承载构件。由于框支柱上部支撑转换梁,且梁上荷载较大,框支柱相比于常规框架柱截面较大,为满足强柱弱梁的概念设计,确保框支柱具有足够的延性和变形能力,框支柱在地震作用下不首先出现柱铰的破坏形态,能够有效吸收地震力,因而,框支柱设计时应严格控制其轴压比不大于0.6,适度增加柱子的体积配箍量及配筋率,相对于普通柱前者宜增加0.02,后者不小于1.5%,且框支柱纵筋的连接应全部采用机械连接,全高加密箍筋。除此之外,在底部框支框架强度及延性得到保证以外,楼盖的刚度也不宜忽视,楼盖将上部荷载通过墙体及柱子传至下部框支框架,此外楼盖还要协同转换梁工作,为确保面内刚度的连续有效,转换层的楼盖板厚通常不宜小于200mm,以确保刚度的连续及荷载有效传递。

4建筑结构设计中转换层设计的建议

4.1梁式转换层设计

作为在建筑设计中的转换层结构设计中最为常用的一种结构设计模式,其在高层建筑转换结构中占到了大约80%以上的比例,并且具有受力清晰、构建简单、方便施工的优点。但是在该类型的转换层设计时,应注意上下结构布置的优化协调,从而确保整个建筑结构的稳定性。比如在进行相对高度较高的结构设计时,剪力墙的内力和刚度以及传力途径会发生一定程度的改变,会使之成为较为薄弱的部分层,一定程度上对建筑结构的抗震性能产生了影响。所以在施工设计过程中应尽量减少转换的构件,多采用非转换的钢筋混凝土形式,避免转换构件的过度集中的情况出现,从而做到竖向刚度的均匀合理,以保证转换层施工和整体建筑的施工质量。

4.2桁架式转换层设计

桁架式转换层主要用于建筑不同功能区域上下部的连接,是由多榀钢筋混凝土桁架组合而成的一种承重结构。一般情况下桁架的下杆的截面面积较小并且高度较高,所以这一结构形式的施工难度较大且工序较为复杂。在具体施工设计过程中,应对转换层的内部结构进行综合分析,并对其受力情况进行分析计算,从而保证设计符合建筑质量要求。

4.3厚板式转换层设计

厚板式转换结构虽然具有布置灵活、不需要正对下层结构的优点,但是其在施工设计过程中多需要的材料耗费较大,所以如果在采用厚板式转换层结构时,应注意对其受力角度的分析,适当的加强其配筋量,同时也可以从抗剪力和抗冲切力的角度出发,减轻其受力程度,对其内力以及配筋量进行合理准确的计算,并从其经济效益出发对其进行综合考虑。

5结语

建筑结构设计中的转换层设计问题一直以来都是建筑行业最为关心和一直探索的重要问题,在建筑结构设计中,应针对建筑结构实际需要选择出符合建筑物实际需要的结构模式,并在安全、经济、适用等指标基础山,努力提升转换层设计的强度、抗震能力以及刚度,从而对其结构进行优化设计,使之完美的与建筑结构和建筑实际功能需要相结合。

《转换层设计在建筑结构设计中的应用》刊发于《建筑建材装饰》学术期刊,2017年3期 ,作者:金人伟。

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