浅谈高层建筑转换层结构设计
关键词：高层建筑,转换层,结构设计
根据建筑平面及功能要求合理选择转换层形式,正确选择建筑抗震类别是转换层设计的关键点,结合结构布置,正确选择各分部的抗震等级,构件设计应注重抗震延性设计的概念,对主要构件进行加强是设计的重点。本文以一栋带转换层的高层建筑的结构设计为例介绍转换层结构的设计要点。
1.工程概况
该工程地下两层,地上裙房五层,总层数三十一层。一层层高为5.3米,二层、三层层高均为5.0米,四层、六层层高均为4.2米,五层层高为5.2米,七层至三十一层层高均为2.9米,建筑物总高99.2米。该工程地下一层为大卖场和地下车库,地下二层为车库及平战结合的六级民防地下室,一～四层为商场,五层为会所,六～三十一层为高级公寓。建筑抗震设防类别:裙房为乙类,主楼为丙类;抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度0.15g;设计地震分组为第一组;场地类别为Ⅱ类。转换层设在第六层楼面。
2.转换层型式的选择
各种形式转换层的优缺点详见表一:
结合工程实际建筑布局情况,并考虑经济指标及施工难易程度,经过技术经济比较后,决定采用梁式转换层结构型式,也可称为梁式框支剪力墙结构。
3.梁式转换层的结构设计要点
3.1 抗震等级的确定
本工程转换层以下为框架-剪力墙结构,转换层以上为纯剪力墙结构,是多种结构形式共存的复杂高层建筑,因而不能象单纯的框架结构或剪力墙结构那样笼统地确定抗震等级,而应该严格按照现行规范的不同章节,有针对性地分别确定结构体系各部位不同结构构件的抗震等级,这是设计的关键点。
3.2 结构竖向布置
高层建筑的侧向刚度宜下大上小,且应避免刚度突变。然而带转换层的高层建筑结构显然有悖于此,因此对转换层结构的侧向刚度作了专门规定。对该工程而言,属于“高位转换”。转换层上下等效侧向刚度比宜接近于1,不应大于1.3。在设计过程中,应把握的原则归纳起来,就是要强化下部,弱化上部。可以采用的方法有以下几种:
3.2.1 与建筑专业协商,使尽可能多的剪力墙落地,必要时甚至可在底部增设部分剪力墙(不伸上去)。除核心筒部分剪力墙在底部必须设置外,还与建筑专业协商后,让两侧各有一片剪力墙落地·这些无疑都大大增强了底部刚度。
3.2.2 加大底部剪力墙厚度。转换层以下剪力墙中,核心筒部分的厚度取为600mm,其余部分的厚度取为600mm。
3.2.3 底部剪力墙尽量不开洞或开小洞,以免刚度削弱太大。
3.2.4 提高底部柱、墙混凝土强度等级,采用C45混凝土(框支柱采用C50混凝土)。
3.2.5 适当减少转换层上部剪力墙数目,控制剪力墙厚度,并可在某些较长剪力墙中部开结构洞(结构施工完毕后再用填充墙填实),以弱化上部刚度。弱化上部刚度不仅对控制刚度比有利,还可减轻建筑物重量,减小框支梁承受的荷载;增大结构自振周期,减小地震作用力。
工程综合采用上述几种方法后,转换层上下刚度比在X方向为0.725,在Y方向为0.813,满足规范要求,效果良好。虽然上下部刚度比满足要求,但毕竟工程仍属于竖向不规则结构,转换层及其下各层为结构薄弱层,因而应将该两层的地震剪力乘以1.15的增大系数。
3.3 结构平面布局
工程底部为框架-剪力墙结构,体型简单、规则;上部为纯剪力墙结构。在剪力墙平面布置上,东西向完全对称,南北向质量中心与刚度中心偏差不超过2m,结构偏心率较小。除核心筒外,其余剪力墙布置分散、均匀;且尽量沿周边布置,以增强抗扭效果。查阅计算结果,扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比为0.85,各层最大水平位移与层间位移比值不大于1·4,均满足平面布置及控制扭转的要求。可见工程平面布局规则合理,抗扭效果良好。
4.转换构件设计要求
4.1 框支柱框支柱截面尺寸主要由轴压比控制并应满足剪压比要求。为保证框支柱具有足够延性,对其轴压比应严格控制。工程框支柱抗震等级为特一级,轴压比不得大于0.6,对部分因截面尺寸较大而形成的“短柱”,不得大于0.55。柱截面延性还与配箍率有密切关系,因而框支柱的配箍率也比一般框架柱的大得多。箍筋不得小于Ф10@ 100,全长加密,且配箍率不得小于1.5%。在工程中,个别框支柱还兼做剪力墙端柱,所以还应满足约束边缘构件配箍特征值不小于0.2的要求,折算成配箍率(C50混凝土)即为2.64%。框支柱为非常重要的构件,为增大安全性,对柱端剪力及柱端弯矩均要乘以相应的增大系数,每层框支柱承受剪力之和应取基底剪力的30%。因为程序计算时,一般假定楼板刚度无限大,水平剪力按竖向构件的刚度分配。底部剪力墙刚度远大于框支柱,使得框支柱剪力非常小。然而考虑到实际工程中楼板的变形以及剪力墙出现裂缝后刚度的下降,框支柱剪力会增加。因而对框支柱的剪力增大作了单独规定。另外,为了加强转换层上下连接,框支柱上部墙体范围内的纵筋应伸入上部墙体内一层;其余在墙体范围外的纵筋则水平锚入转换层梁板内,满足锚固要求LaE。
4.2 框支梁
框支梁截面尺寸一般由剪压比控制,宽度不小于其上墙厚的2倍,且不小于400mm;高度不小于计算跨度的1/6。工程框支梁梁宽统一定为800mm。框支梁受力巨大且受力情况复杂,它不但是上下层荷载的传输枢纽,也是保证框支剪力墙抗震性能的关键部位,是一个复杂而重要的受力构件,因而在设计时应留有较多的安全储备,特一级抗震等级的框支梁纵筋配筋率不得小于0.6%。框支梁在满足计算要求下,配筋率不小于0.8%。框支梁一般为偏心受拉构件,梁中有轴力存在,因而应配置足够数量的腰筋。腰筋采用Ф16,沿梁高间距不大于200mm,并且应可靠锚入支座内。框支梁受剪很大,而且对于这样的抗震重要部位,更应强调“强剪弱弯”原则,在纵筋已有一定富余的情况下,箍筋更应加强。箍筋统一采用Ф14@ 100八肢箍全长加密,配箍率达到1·.53%,远大于文献[1]对特一级级抗震条件下框支梁的配箍率要求。
4.3 转换层楼板
框支剪力墙结构以转换层为分界,上下两部分的内力分布规律是不同的。在上部楼层,外荷载产生的水平力大体上按各片剪力墙的等效刚度比例分配;而在下部楼层,由于框支柱与落地剪力墙间的刚度差异,水平剪力主要集中在落地剪力墙上,即在转换层处荷载分配产生突变。转换层楼板承担着完成上下部分剪力重分配的任务;并且由于转换层楼板自身平面内受力很大,而变形也很大,所以转换层楼板必须有足够的刚度作保证。转换层楼板采用C50混凝土,厚度180mm。Ф14@ 150钢筋双层双向整板拉通,配筋率达到0.28%。另外,为了协助转换层楼板完成剪力重分配,将该层以上两层及以下各层楼板也适当加强,均取厚度150mm。
5.结语
近年来,随着我国经济的持续快速发展,人们对高层建筑的功能要求趋向于多样化、综合化和全面化。为较为最常见的形式以上部为小开间的民用住宅,下部为大开间的商场或公共娱乐场所。从建筑功能上看,高层建筑上部需要较多的墙体来分隔空间以满足住宅户型的需要;而下部则希望有较大的自由灵活空间,大柱网、少墙体,以满足公共使用要求。然而,按照这样的建筑形式进行结构布置时,上部墙体多而密,下部柱网少而稀,即刚度上大下小。这与常规的结构竖向布置的原则正好是相反的。为了满足建筑要求就必须在上下不同结构体系转换的楼层设置转换层。于是,带转换层的建筑结构孕育而生,并在近年来得到较为广泛的应用。
参考文献:
[1] JGJ3-2002,高层建筑混凝土结构技术规程[S]。
[2] 章斌全.框支剪力墙转换层结构设计探索[J]。工程建设与设计, 2003(2): 8~10。
[3] 高雪峰.转换层结构设计的改进建议[J]。建筑技术开发, 2003(3): 6~7。