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高层建筑结构设计与研究

来源:发立捷期刊网  时间:2018-03-15 08:50:22  点击:

  摘要:当前,随着我国城市化进程的不断加快,高层建筑物的数量在持续不断地增加。在高层建筑物中,梁式转换层具有承上启下的作用,因而在设计的过程中需要与上部结构中的竖向载荷相结合,通过进行科学、合理的设计与规划来减少结构突变及应力集中的现象产生,由此来保障整个结构的连续性以及受力的平稳性。

  关键词:梁式转换层;高层建筑;结构设计

  近年来随着我国社会经济持续不断的发展,人们的生活质量及水平也随之得到了极大程度的提升与发展。进而,对相关建筑物的结构设计及要求也在不断地增加,以此来更好地满足人们在日常生活中对停车及购物等方面的要求。基于此,很多的高层建筑采用了梁式转换层的结构来进行设计与规划,进而提升了整个高层建筑的实用性,为人们的生活提供了更多的便捷。

  1高层建筑梁式转换层设计概述

  1.1梁式转换层结构设计特点

  就当前我国高层建筑中应用梁式转换层的效果来看,通过应用梁式转换层能够促使高层建筑的上下荷载力保持在一个平衡的状态之中,进而能够有效地避免由于结构发生形变而导致受力不均匀的现象,进而增加了整个结构的稳定性。此外,在设计建筑的过程中,通过在梁式转换层中增设一些管道、通道等线路能够提升整个高层建筑多功能性,为其中的用户提供暖气、水电等相关的保障措施。但是,目前我国带有国内转换层的高层建筑大多采用的都是上部剪力墙、下部框架式的结构,其框架式剪力墙的结构如图1所示。这种形式的设计还需要通过应用相关的转换构建来对高层建筑的结构内力进行重新的分配,进而来调整高层建筑的内部应力,防止其发生形变。

  1.2高层建筑梁式转换层的构造特点

  在高层建筑的设计过程中,转换层的应用十分普遍,其中的建筑构造形式也存在着多样性的变化,具体如图2所示。目前,在我国高层建筑转换层的设计中,梁式转换层的应用最多,板式转换层以及箱型转换层等的应用次数较低。梁式转换层由于尺寸较大、结构设计简单、便于施工等特点,在实际的建设设计当中的应用十分广泛。此外,梁式转换层在高层建筑设计应用中还有性能稳定、工程造价核算便捷以及经济效益较高等有利的特点。

  1.3高层建筑梁式转换层受力特点

  梁式转换层在高层建筑应用过程中主要是维持高层建筑内部稳定,使其能够受力均匀,通过上部密集小空间的竖向载荷传递到下部稀疏的大空间中。但是由于高层建筑的结构设计通常都比较复杂,所具有的功能也具有多样化的特性,从而会造成内部荷载在竖向传递的过程中出现中断的问题,进而造成建筑整体刚度发生突变的现象。这种建筑的形式在发生地震时,很容易由于下部结构的稀疏而发生坍塌及变形的事件。因此,在对高层建筑进行转换层设计时,需要针对受力均衡问题展开有效的分析与解决,由此来避免建筑结构被破坏的事故发生,尽可能地减少相关财产的损失。

  2梁式转换层的高层建筑结构设计案例

  2.1工程概况

  A市某高层建筑,有地下1层,地上22层,总建筑面积为25840m2。其中的1-4层为商业用房,1层的层高为5m,2-4层的层高为4m,采用框架简体结构。5-20层均为住宅层,层高为3m,采用的是剪力墙简体结构。21-22层分别是电梯的机房以及屋面水箱,层高为3m。针对这种情况,需要在整栋建筑物中的4-5层之间设置一个结构转换层,同时存放相关的操作设备。其楼层结构平面设置的情况如图3所示。

  2.2楼层转换方案

  在对这个高层建筑进行楼层结构转换的时候,所采用的转换层的结构形式为梁式、板式、箱式等多种形式。由于这些转换层能够形成一个较大的空间,进而完成结构类型以及轴线的转变。其中的梁式转换层对相关的受力结构比较明确,从而在设计及施工过程中的操作比较便捷,应用的范围较为广泛。因此,在本工程的施工过程中采用梁式转换层的方式,其转换层的高度为2.5m,转换梁上、下两端与楼板相连,上层楼板厚度为20cm,下层楼板的厚度为300cm。转换梁承托上部的剪力墙,且所使用的混凝土强度为C40。

  2.3整体结构分析

  在高层建筑梁式转换层中所使用的转化梁本身是杆件,能够直接地按照梁单元进行相关的分析与设计,同时,梁的轴线位于转换层的上层楼板处,在整体结构中需要通过对上下层的刚度进行比较来确定适当的力度,防止竖向刚度的变化而形成薄弱层。据此,转换层的下层柱子截面尺寸可以设置为110cm×110cm,剪力墙的厚度为50cm,混凝土的强度等级为C45。同时,转换层上层的剪力墙的厚度为35cm,混凝土的强度等级为C45。

  2.4转换梁设计

  在高层建筑中,转换梁承托上部剪力墙,受力较大,也是保障整个结构安全性的关键性因素。转换梁的跨度大约在9m左右,截面的高度为2.5m。但是由于我国在混凝土设计规范中没有明确地给出承载力计算的方法,进而对此进行了两种连续短梁的试验研究。

  2.4.1试验结果

  本试验中所采用的转换梁为转换梁1/5的缩尺模型,其截面尺寸及配筋的形式如图4所示。通过经过相关试验可知:该转换梁的正截面平均应变符合平截面的建设。斜裂缝在加载点与中支座的内剪跨区的梁腹中部出现,属于剪斜裂缝,并通过长时间的发展成为临界斜裂缝。底部的纵筋和顶部的纵筋会顺着梁的方向来分散相应的应力,因而在斜裂缝出现之前,需要与弯矩图保持一致性,而在斜裂缝出现之后则与弯矩图产生明显的差距,由此就说明了转换梁内的应力发生了较大程度的变化。此外,在转化梁的底部纵筋处于受拉状态中,顶部纵筋的内剪跨内也随之处于一种受拉状态。当试验受到破坏时,内剪跨区段之内,临界斜裂缝的箍筋会受到一定的拉力,剪压区内的混凝土压疏。当穿越斜裂缝的箍筋应力变化为原来的应力的53%时,剪压区内的混凝土中就没有压疏现象。

  2.4.2相关构造要求

  依据相关的试验结果,为了保证梁式转换层中的转换梁在斜裂缝出现后能够起到纵筋拉杆的效果,其底部纵筋不能够在跨内形成弯折或者是截断的现象,需要将整个纵筋全部地伸入到支座中,并使用相关的可靠锚进行固定。同时,转换层的顶部纵筋在跨中不能够较早地被折断,最好进行通长布置。由于转换梁的横截面尺寸较大,因此需要依据梁高来配置一定数量的水平腹筋。由此,就能够承受到一定的受剪承载力,进而对整个裂缝的发展情况有一个抑制的作用,能够有效地减少相关温度以及混凝土收缩对整个工程的影响力。

  2.5转换层抗震设计

  在进行转换层结构设计的时候,由于有转换层的存在,致使高层建筑物在高度方向上的刚度均匀性会受到较大的影响,进而造成承载力构件与墙、柱截面产生突变,线路发生曲折的现象等等,因此,转换结构需要较大的抗震性能。基于此,需要在该建筑物3层及以上的部分都设置部分框支剪力墙结构的转换层。同时,相关构架的抗震等级还需要依照国家相关的标准进行。此外,还需要配备相关构件抗震性能的构造措施,以此来有效地提升建筑物的抗震等级,增加高层建筑物转换层的抗震效果。

  3结语

  在高层建筑结构设计的过程中,通过应用梁式转换层能够有效地提升整个工程的项目建设效果,由此来提升整个高层建筑的稳定性。此外,通过应用梁式转换层还能够在相关的成本造价、费图4试验梁截面尺寸及配筋用方面有一定程度的提升。因此,在高层建筑设计的过程中可以通过应用梁式转换层来保证整个建筑工程设计的稳定性,同时还能够对相关设计、施工单位的操作进行有效的控制,从而避免产生相关的问题及困难,最终做到优化高层建筑设计,提升整个工程的结构。

  作者:胡建荣 单位:新余市规划设计院

  参考文献:

  [1]熊进刚,吴晓莉,程文瀼,陈礼建,杨建明.有梁式转换层的高层建筑结构设计与研究[J].工业建筑,2001(6):33-36.

  [2]赵京江.结构设计中梁式转换层设计要点———怡福苑A1幢住宅结构设计体会[J].建筑技术管理,2015(6):76-78.

  [3]熊进刚,李艳.带结构转换层的高层建筑结构设计[J].南昌大学学报:工科版,2002(4):15-18.

  [4]张誉,赵鸣.空腹桁架式结构转换层的试验研究[J].建筑结构学报,1999(6):11-17.

  [5]傅传国,梁书亮.钢骨混凝土梁式转换层结构抗震性能试验研究[J].建筑结构,2000(4):61-64.