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摘 要 首先分析转换层的主要结构形式及特点,阐述转换层设计中应该注意的原则性问题,最后提出高层建筑梁式转换层结构设计的关键要点,仅供参考。
关键词 梁式转换层;设计;原则
中图分类号 TU 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2010)092-0043-01
1 转换结层的主要结构形式和特点
各种形式转换层由于结构形式差别较大,其传力性能和抗震性能等存在明显差异。梁式转换结构传力直接、明确,传力途径清楚,结构计算相对容易。受力性能好、工作可靠、构造简单、施工方便,但是当转换梁跨度较大时,要求转换梁截面也较大,其质量和抗侧刚度也相应较大,因而地震反应较大。板式转换结构一方面使得上部结构布置方便,另一方面使得传力不清楚,受力复杂,结构计算相对困难,并且厚板集中了很大的刚度和质量,地震反应强烈。
析架式转换结构具有传力明确,传力途径清楚的特点,转换析架不仅使开洞与设置管道方便,而且他们的位置和大小具有很大的灵活性,使充分利用转换层的空间成为可能。析架式转换结构抗侧力刚度和自重比转换梁小,使得带析架式转换层高层建筑的质量和刚度突变相对缓和,地震反应比带转换梁的高层小很多。箱形转换结构是由单向托梁、双向托梁连同上下层较厚的楼板共同作用形成,其侧向刚度很大,较少用于房屋结构工程。
2 梁式转换层结构的设计遵循原则
带转换层高层建筑结构是一种受力复杂、不利于抗震的结构体系,在结构总体设计时,特别是在抗震设防地区,应遵循的如下原则:①传力直接,避免多次转换。布置转换层上下主体竖向结构时,要尽量使水平转换结构传力直接,通过结构的合理布置,使不落地的剪力墙通过转换托梁直接传给竖向承重构件,尽可能的避免转换次梁及水平多级转换,实现传力路径的最短化。②强化下部、弱化上部。要保证底部大空间有适宜的刚度、强度、延性和抗震能力,要有意识的强化转换层下部主体结构刚度,弱化转换层上部主体结构的刚度,使得转换层上下部主体结构的刚度及变形特征尽量接近,以避免出现薄弱层。③计算全面准确。必须将转换结构作为整体结构中一个重要组成部分,采用符合实际受力变形状态的正确计算模型进行三维空间整体结构计算分析。采用有限元方法对转换结构进行局部补充计算时,转换结构以上至少取2层结构进入局部计算模型,同时应计及转换层及所有楼层楼盖平面内刚度,计及实际结构三维空间盒子效应,采用比较符合实际边界条件的正确计算模型。
3 梁式转换层结构的关键设计
1)整体结构宜进行弹性时程分析补充计算和弹性时程分析校核,还应注意对整体结构进行重力荷载下准确施工模拟计算。在有抗震设防要求的底部大空间结构中,仍然要设计延性剪力墙结构。其主要措施有:控制剪力墙的塑性铰出现在框支层以上的上部墙体中,以避免框支层出现大变形;加强落地剪力墙的下部,防止剪切破坏,防止屈服;加强框支柱设计,使其具有足够的安全贮备及延性转换梁的截面尺寸一般由其剪压比计算确定,且须有合适的含箍率,以避免脆性破坏。转换梁的适宜剪压比限值见表1:
转换梁的轴压比:
Vmax—转换梁支座截面处最大组合剪力设计;fc—转换梁混凝土抗压强度设计值;b—转换梁截面宽度;ho——转换梁截面有效高度。
转换梁一般不宜开洞,若需要开洞,洞口宜位于梁中和轴附近。洞口上、下弦杆必须采取加强措施,箍筋要加密,以增强其抗剪能力。上、下弦杆箍筋计算时宜将剪力设计值乘放大系数1.2。当洞口内力较大时,可采用型钢构件来加强。
2)转换梁的混凝土强度等级不应低于C30;转换梁上、下主筋的最小配筋率非抗震设计时为0.3%;抗震设计时,一、二、三和四级抗震等级分别为0.5%、0.4%、0.35%和0.35%。转换梁中主筋(纵向钢筋)不宜有接头;有接头时,宜采用机械连接,且同一截面内钢筋接头面积不应超过全部主筋截面面积的50%,接头位置尚应避开上部剪力墙开洞部位、梁上托柱部位及受力较大部位。转换梁上部主筋至少应有50%沿梁全长贯通,下部主筋应全部贯通伸入柱内。
3)转换梁箍筋要求为:梁支座边距柱0.2ln(ln为转换梁净跨)或 1.5hb (hb为转换梁的高度)范围内箍筋应加密,加密区箍筋直径不小于10mm,间距不大于100mm,加密区最小面积配箍率为:一级时0.8%,二级为0.7%,三级时0.6%,四级时0.6%;非抗震设计时0.5%。上部剪力墙门洞下方(洞宽+2hb)范围内转换梁箍筋也按上述要求加密。
4)框支柱的截面一般由其轴压比计算确定,由于结构的竖向构件在转换层处部分终断,必须保证下部结构的抗剪能力,限值框支柱的轴压比。抗震设计时,框支柱的内力须按规范进行调整。
5)有地震组合时,一级、二级框支柱承受的地震作用产生的轴力设计计算值应分别乘以1.5,1.25的调整放大系数;框支柱承受的地震剪力标准值应按下列规定采用:框支柱的数目不多于10时,当框支层为1～2层时,每层每根柱承受的剪力应至少取基底剪力的2%;当框支层为3层及3层以上时,各层每根柱所受的剪力应至少取基底剪力的3%;框支柱的数目多于10根时,当框支层为1～2层时,每层每根柱承受的剪力之和应取基底剪力的20%;当框支层为3层及3层以上时,每层框支柱承受剪力之和应取基底剪力的30%;框支柱剪力调整后,应相应调整框支柱的弯矩及柱端梁的剪力、弯矩,框支柱轴力可不调整。
6)框支柱全部纵向钢筋配筋率,抗震等级一级时不小于1.2%,二级时不小于1.0%,三级时不小于0.9%,四级及非抗震设计时不小于0.8%。纵向钢筋间距抗震设计时不大于200mm,且不小于80mm,全部纵向钢筋配筋率不宜大于4%;框支柱箍筋应沿框支层全高加密,加密区体积配箍率抗震等级一级、二级时不小于1.5%,三、四级时不小于1.0%;框支柱宜采用复合螺旋箍或井字复合箍,箍筋直径不应小于10mm,间距不应大于100mm和6倍纵向钢筋直径的较小值。非抗震设计时,框支柱宜采用复合螺旋箍或井字复合箍,箍筋体积配箍率不宜小于0.8%。箍筋直径不应小于10mm,间距不宜大于150mm。
框支柱节点区水平箍筋原则上可同柱箍筋配置,当框支梁、转换梁腰筋配置及拉通可靠锚固时,可按构造要求设置水平箍筋、拉筋。框支柱纵筋在框支层内不宜设接头,若需设置,接头率不超过5%且接头位置离开节点区不小于500mm,接头采用可靠的机械或焊接连接。
参考文献
[1]邢红勇.高层建筑梁式转换层中连续短梁的设计建议.江苏建筑,2001,01.
[2]韦爱凤,张小明.钢筋混凝土转换层设计.工程设计CAD与智能建筑,2001,06.
[3]高雪峰.转换层结构设计的改进建议.建筑技术开发,2002,03.
关键词 梁式转换层;设计;原则
中图分类号 TU 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2010)092-0043-01
1 转换结层的主要结构形式和特点
各种形式转换层由于结构形式差别较大,其传力性能和抗震性能等存在明显差异。梁式转换结构传力直接、明确,传力途径清楚,结构计算相对容易。受力性能好、工作可靠、构造简单、施工方便,但是当转换梁跨度较大时,要求转换梁截面也较大,其质量和抗侧刚度也相应较大,因而地震反应较大。板式转换结构一方面使得上部结构布置方便,另一方面使得传力不清楚,受力复杂,结构计算相对困难,并且厚板集中了很大的刚度和质量,地震反应强烈。
析架式转换结构具有传力明确,传力途径清楚的特点,转换析架不仅使开洞与设置管道方便,而且他们的位置和大小具有很大的灵活性,使充分利用转换层的空间成为可能。析架式转换结构抗侧力刚度和自重比转换梁小,使得带析架式转换层高层建筑的质量和刚度突变相对缓和,地震反应比带转换梁的高层小很多。箱形转换结构是由单向托梁、双向托梁连同上下层较厚的楼板共同作用形成,其侧向刚度很大,较少用于房屋结构工程。
2 梁式转换层结构的设计遵循原则
带转换层高层建筑结构是一种受力复杂、不利于抗震的结构体系,在结构总体设计时,特别是在抗震设防地区,应遵循的如下原则:①传力直接,避免多次转换。布置转换层上下主体竖向结构时,要尽量使水平转换结构传力直接,通过结构的合理布置,使不落地的剪力墙通过转换托梁直接传给竖向承重构件,尽可能的避免转换次梁及水平多级转换,实现传力路径的最短化。②强化下部、弱化上部。要保证底部大空间有适宜的刚度、强度、延性和抗震能力,要有意识的强化转换层下部主体结构刚度,弱化转换层上部主体结构的刚度,使得转换层上下部主体结构的刚度及变形特征尽量接近,以避免出现薄弱层。③计算全面准确。必须将转换结构作为整体结构中一个重要组成部分,采用符合实际受力变形状态的正确计算模型进行三维空间整体结构计算分析。采用有限元方法对转换结构进行局部补充计算时,转换结构以上至少取2层结构进入局部计算模型,同时应计及转换层及所有楼层楼盖平面内刚度,计及实际结构三维空间盒子效应,采用比较符合实际边界条件的正确计算模型。
3 梁式转换层结构的关键设计
1)整体结构宜进行弹性时程分析补充计算和弹性时程分析校核,还应注意对整体结构进行重力荷载下准确施工模拟计算。在有抗震设防要求的底部大空间结构中,仍然要设计延性剪力墙结构。其主要措施有:控制剪力墙的塑性铰出现在框支层以上的上部墙体中,以避免框支层出现大变形;加强落地剪力墙的下部,防止剪切破坏,防止屈服;加强框支柱设计,使其具有足够的安全贮备及延性转换梁的截面尺寸一般由其剪压比计算确定,且须有合适的含箍率,以避免脆性破坏。转换梁的适宜剪压比限值见表1:
转换梁的轴压比:
Vmax—转换梁支座截面处最大组合剪力设计;fc—转换梁混凝土抗压强度设计值;b—转换梁截面宽度;ho——转换梁截面有效高度。
转换梁一般不宜开洞,若需要开洞,洞口宜位于梁中和轴附近。洞口上、下弦杆必须采取加强措施,箍筋要加密,以增强其抗剪能力。上、下弦杆箍筋计算时宜将剪力设计值乘放大系数1.2。当洞口内力较大时,可采用型钢构件来加强。
2)转换梁的混凝土强度等级不应低于C30;转换梁上、下主筋的最小配筋率非抗震设计时为0.3%;抗震设计时,一、二、三和四级抗震等级分别为0.5%、0.4%、0.35%和0.35%。转换梁中主筋(纵向钢筋)不宜有接头;有接头时,宜采用机械连接,且同一截面内钢筋接头面积不应超过全部主筋截面面积的50%,接头位置尚应避开上部剪力墙开洞部位、梁上托柱部位及受力较大部位。转换梁上部主筋至少应有50%沿梁全长贯通,下部主筋应全部贯通伸入柱内。
3)转换梁箍筋要求为:梁支座边距柱0.2ln(ln为转换梁净跨)或 1.5hb (hb为转换梁的高度)范围内箍筋应加密,加密区箍筋直径不小于10mm,间距不大于100mm,加密区最小面积配箍率为:一级时0.8%,二级为0.7%,三级时0.6%,四级时0.6%;非抗震设计时0.5%。上部剪力墙门洞下方(洞宽+2hb)范围内转换梁箍筋也按上述要求加密。
4)框支柱的截面一般由其轴压比计算确定,由于结构的竖向构件在转换层处部分终断,必须保证下部结构的抗剪能力,限值框支柱的轴压比。抗震设计时,框支柱的内力须按规范进行调整。
5)有地震组合时,一级、二级框支柱承受的地震作用产生的轴力设计计算值应分别乘以1.5,1.25的调整放大系数;框支柱承受的地震剪力标准值应按下列规定采用:框支柱的数目不多于10时,当框支层为1～2层时,每层每根柱承受的剪力应至少取基底剪力的2%;当框支层为3层及3层以上时,各层每根柱所受的剪力应至少取基底剪力的3%;框支柱的数目多于10根时,当框支层为1～2层时,每层每根柱承受的剪力之和应取基底剪力的20%;当框支层为3层及3层以上时,每层框支柱承受剪力之和应取基底剪力的30%;框支柱剪力调整后,应相应调整框支柱的弯矩及柱端梁的剪力、弯矩,框支柱轴力可不调整。
6)框支柱全部纵向钢筋配筋率,抗震等级一级时不小于1.2%,二级时不小于1.0%,三级时不小于0.9%,四级及非抗震设计时不小于0.8%。纵向钢筋间距抗震设计时不大于200mm,且不小于80mm,全部纵向钢筋配筋率不宜大于4%;框支柱箍筋应沿框支层全高加密,加密区体积配箍率抗震等级一级、二级时不小于1.5%,三、四级时不小于1.0%;框支柱宜采用复合螺旋箍或井字复合箍,箍筋直径不应小于10mm,间距不应大于100mm和6倍纵向钢筋直径的较小值。非抗震设计时,框支柱宜采用复合螺旋箍或井字复合箍,箍筋体积配箍率不宜小于0.8%。箍筋直径不应小于10mm,间距不宜大于150mm。
框支柱节点区水平箍筋原则上可同柱箍筋配置,当框支梁、转换梁腰筋配置及拉通可靠锚固时,可按构造要求设置水平箍筋、拉筋。框支柱纵筋在框支层内不宜设接头,若需设置,接头率不超过5%且接头位置离开节点区不小于500mm,接头采用可靠的机械或焊接连接。
参考文献
[1]邢红勇.高层建筑梁式转换层中连续短梁的设计建议.江苏建筑,2001,01.
[2]韦爱凤,张小明.钢筋混凝土转换层设计.工程设计CAD与智能建筑,2001,06.
[3]高雪峰.转换层结构设计的改进建议.建筑技术开发,2002,03.