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前言
為了追求利益最大化,建筑企業多數選擇了設計高層建筑,以便在有限的面積內設計開發出最大的可用空間,為建筑企業創造經濟效益。同時,人們對高層建筑的要求也是越來越高。因此,高層建筑的結構設計不僅要滿足人們的需要,還要保證其設計的科學合理及安全性。如何設計出更好的高層建筑設計成為建筑行業亟待解決的重要問題。
1、高層建筑結構設計原則
1.1 選擇合理的結構方案
在高層建筑的結構設計中,要選擇經濟合理的結構方案,從而保證結構設計的合理和安全。在結構設計方案的選擇中,要注意對材料的要求、施工環境的綜合考慮,同時要考慮地震區高層建筑設計的特點,要力圖遵循平面和豎向規則,規避結構方案的不適性。在結構設計方案的選擇中,要與建筑施工單位和基礎設施供應方進行協商,從而選擇合適的高層結構設計方案,充分發揮結構設計的效用。1.2 選擇合適的基礎方案
對建筑進行結構設計,要充分考慮建筑所在地的周邊環境,要對工程的地質條件以及周圍建筑的施工及特點做好調研,充分保證后續建筑過程與周邊環境的和諧統一。建筑結構設計中要選擇合適的基礎方案,基礎方案要體現結構設計的方方面面,要盡量顯示建筑的全貌,同時要考慮建筑的經濟成本和效益,最大限度發揮建筑周邊條件的作用,保證建筑的正常實施。
1.3 選擇合適的計算簡圖
高層建筑的結構設計要選擇適當的設計簡圖,由此可以防止由于計算簡圖選擇不當導致的建筑安全隱患的發生概率。建筑結構計算是以計算簡圖為基礎的,所以結構設計中要特別注重計算簡圖選取問題,從而可以保證后續結構計算的準確和建筑設計的安全。當然,建筑實際結構與選取的計算簡圖之間允許存在合理的誤差,但是要盡量把工程實際控制在計算簡圖精度要求范圍內。
1.4 分析所得到的計算結果
當下,信息技術飛速發展,由此也帶動了建筑結構設計對計算機軟件的應用。由于不同計算機軟件會產生不同的計算結果,所以要對不同結果進行分析處理。由此,建筑結構設計人員就要具備專業的建筑結構設計理念和知識,更要對計算機軟件有充分詳細的了解,便于對計算機計算結果進行客觀分析。由于操作人員自身的問題或者計算機軟件具有的自身誤差,使得計算結果與實際情況出現一定的差異,這時就要求結構設計人員客觀判斷并予以糾正。
2、 高層建筑結構設計的特點
(1)結構延性是重要的設計指標
相對于低樓層而言,高樓層具有獨特的特性,高樓層擁有更好的柔性,由此,高層樓房在遭受地震的時候更容易出現變形。所以在建造高層建筑的過程中,就要充分考慮如何保證高層建筑的延性,從而保證高層建筑進入塑性變形階段之后仍然有較好的變形能力,防止坍塌現象的發生。由此就要在建筑結構設計階段采取恰當的措施保證建筑結構的延性。
(2)水平載荷成為決定因素
高層建筑的設計和建造過程區別于低層建筑,不僅要考慮豎向載荷,同時要考慮水平載荷的影響。在建造高層樓房時,水平載荷的影響作用也非常重要。水平載荷之所以發揮如此重要的作用是因為在高層建筑設計中要充分考慮抗側力,而水平載荷可以起到平衡作用。除此之外,對某高度的建筑來說,豎向載荷基本是一個定值,而作為水平載荷的風載荷和地震作用,則隨著結構動力特性的不同而浮動。
(3)軸向變形不容忽視
在有外力作用的情況下,建筑結構會發生一定的位移,包括彎曲、軸向變形和剪切變形。對于低層建筑的結構,一般的結構構件軸向和剪切變形的影響相對小,由此不會涉及到軸向變形和剪切變形問題的考慮。但是高層建筑的軸力相對較大,由此產生的軸向變形就會比較顯著,由此在建筑結構設計中就要把軸向變形考慮進去。
3、 高層建筑結構設計的要點
3.1 結構的超高問題
抗震規范中對建筑結構的總高度進行了嚴格限制,新規范中增設了B級高度,這與原來設定的A級高度在處理辦法方面有很大的改變。所以在工程實踐中,就要充分考慮建筑的超高問題及處理措施,在結構設計過程中要充分根據工程的實際進行抗震設計,防止建筑物結構過高導致的不安全因素。一旦在工程實際過程中忽視建筑物的超高問題,在工程后續施工過程中就會出現一系列的問題,這就會對工程工期和效益造成嚴重的損害。
3.2 短肢剪力墻設置問題
短肢剪力墻在規范中是這樣定義的:墻肢截面高厚比為5-8的墻。實踐表明,短肢剪力墻在高層建筑中的運用有更多的因素加以限制。因此,高層建筑結構設計過程中,就應當根據情況盡可能少的使用就要盡量避短肢剪力墻,從而減少由于短肢剪力墻的使用造成了不必要的麻煩,所以,在高層建筑的設計過程中,要特別注重工程的細節問題,從而提高工程建設的進度。
3.3 嵌固端的設置問題
高層建筑通常都有地下室和人防,由此嵌固端的設置位置可能在地下室頂板,也有可能在人防的頂板。在進行高層建筑結構設計的過程中,結構設計人員要特別注意嵌固端的設置問題,防止由于嵌固端設置所造成的問題。比如說嵌固端上下抗震等級的一致性問題和抗震縫設計與嵌固端位置的協調問題等等,由此可能造成結構設計的不合理,導致安全隱患的產生。
4、 結語
高層建筑是一種更為復雜的建筑模式,近年來,高層建筑發展迅速,然而建筑的結構設計效果并不理想,建筑安全問題發生的頻率相對較高,由此在高層建筑結構設計過程中,建筑結構設計人員更應該根據建筑結構的特點,認真考察建筑具體實際,從而設計出合理的設計方案,保證建筑的安全性和穩定性,發揮建筑的效益,從而滿足建筑使用群體的要求,同時為建筑業的更快更好發展做出貢獻,使得建筑業可以有更長足的發展空間。
參考文獻
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[2]宋金蘭.淺談高層建筑結構設計問題[J].中國新技術新產品,2012(10)
[3]張瀚.關于高層建筑結構設計問題探討[J].中國新技術新產品,2012(23)
[4]王續晶.高層建筑結構設計問題探討[J].價值工程,2011(9)
關鍵詞:高層建筑;剪力墻結構;設計
中圖分類號: TU208 文獻標識碼: A
引言
我國社會經濟的迅猛發展和人口壓力迫使城市建筑無限可能地縱向發展,高樓林立已然成為城市的一道亮麗風景線,現代高層建筑越來越向多功能的綜合用途發展。人們對高層建筑平面空間的設計要求越來越高,普通的框架結構顯然已不能滿足人們對高層建筑室內空間的使用和整體美觀的愿望。剪力墻從縱向及橫向來承擔荷載,其剛度有力地抗擊著水平荷載,已經被高層建筑結構設計廣泛使用。
一、剪力墻結構設計的基本原則
剪力墻結構在建筑中主要承擔豎直方向重力與水平方向荷載,剪力墻結構的設計既要安全合理,又要考慮經濟問題。設計過程中,各種位移限制值都要滿足,結構構件中抗側力構件的作用也要充分考慮到。設計時,剪力墻的數量也要滿足位移限制值相關規范的要求,數量應該盡量少,但又不能影響基本振犁的要求。建筑中剪力墻結構所承受的傾覆力矩應不小于總數的一半。
1、調整樓層最小剪力系數方面的原則
設計中剪力墻結構的布置要盡量減小,大開間的剪力墻結構布置是最好的設計方案,側向剛度結構可以達到較為理想的狀態。樓層間的剪力系數盡量小,但不能超出規范的極限范圍,短肢剪力墻承受的地震傾覆力矩于整體總底部承受的地震傾覆力比要小于或等于1:4,這樣既可以減輕結構自重,同時降低了地震帶來的危害又可以節約用費。
2、調整樓層間最大位移與層高之比方面的原則
規范規定的最大的樓層間的位移在計算的時候,如果樓層地區地震比較頻繁,所用的標準值產生的樓層計算可以保留在結構的整體彎曲變形,應該計入扭轉變形在以彎曲變形為主的高層建筑中。高層建筑重點考慮的方面就是樓層間的扭轉和剪力變形。結構的剪切變形由豎向構建的數量決定著,在建設施工中,有足夠多數量的構件還是遠遠不夠的,更要考慮構建的布局是否合理,如果不合理,就會產生過大的扭轉變形,樓層間的位移就達不到要求。因此,對于高層建筑而言,不能只是以樓層間的位移來確定豎向構件的剛度,而應該盡量減小扭轉變形。
3、調整剪力墻結構連續超限方面的原則
剪力墻結構的連續跨高比太小會導致彎矩出現及剪力過大,超過規范限度,跨高比一般大于或等于2.5。規范規定,在跨高比小于5的時候,連續梁不能夠拆減。跨高比的正確選擇,可以很好地避免彎矩及剪力過量,可保持在規定范圍內。在結構設計時,如果可以有效合理的用上這些,可以大大降低工程成本。
剪力墻結構不只應該符合相關規定,在設計時要考慮多方面的因素,建筑物的平面、立面應盡量均勻,剪力墻結構應盡量遠離房屋中心,以保證房屋整體的抗扭。
二、高層剪力墻結構設計要點
1、剪力墻結構的合理布設
在對剪力墻結構進行合理布設時首先要注意以下幾點:
(1)剪力墻應沿主軸方向雙向均勻的進行布設,采用兩個方向抗側剛度接近為宜,不宜采用單向的方式進行布設。盡量使得剛度中心與質量中心靠近,減小地震造成的扭轉。若無法避免,則最好在剪力墻的相應部位設置暗柱,當梁高大于墻厚的2.5倍時,應計算暗柱配筋;
(2)剪力墻結構的抗側力剛度和承載力均較大,為充分利用剪力墻的這一特征,減輕結構重量,增大剪力墻結構的可利用空間,墻不宜布置太密,以便使結構具備適宜的側向剛度。(3)在結構布置過程中,應避免布置墻肢長度過長(≥8m)的墻體。當有少量墻肢長度大于8m時,計算中,樓層剪力主要由這些大的墻肢承受,其他小的墻肢承受的剪力很小,一旦地震,尤其超烈度地震時,大墻肢容易遭受破壞,而小的墻肢又無足夠配筋,整個結構容易被各個擊破,這是極不利的。所以,對于大的剪力墻墻肢,應采用留置結構洞口(洞口連梁宜采用約束彎矩較小的弱連梁),把長墻肢分解成合理的墻肢長度,調整其剛度。
(4)剪力墻的門窗洞口宜上下對其,成列布置,形成明確的墻肢和連梁。當無法上下對其,成列布置時,應按有限元方法仔細計算分析,并在洞口周邊采取加強措施。
2、剪力墻厚度的確定
剪力墻墻肢截面比較適宜簡單、規則,建立阿強的豎向剛度應均勻,其門窗口最好成列布置,上下對齊,形成較為明顯的連梁和墻肢,避免出現使墻肢剛度相差懸殊的洞口設置。在抗震結構設計師,一、三級抗震等級的剪力墻底部加強部位最好不要采用錯洞墻,二、三級抗震等級的剪力墻均不宜采用疊合錯洞墻。《高層建筑混凝土結構技術規程》中對剪力墻的截面尺寸有具體的規定“按一、二級抗震等級設計的剪力墻的截面厚度,底部加強部位不應小于層高或剪力墻無支長度的1/16,且不應小于200mm,其他部位不應小于層高或剪力墻的1/20,且不應小于160mm;按三、四級抗震等級設計的剪力墻的截面厚度,底部加強部位不應小于層高或剪力墻無支長度的1/20,且不應小于160mm,其他部位不應小于層高或剪力墻的1/25,且不應小于180mm”。
3、剪力墻結構構件延性設計
要使剪力墻具有延性,就要控制塑性鉸在某個恰當的部位出現;在塑性鉸區域防止過早出現剪切破壞(即強剪弱彎設計),并防止過早出現錨固破壞(強錨固);在塑性鉸區域改善抗彎及抗剪鋼筋構造,控制斜裂縫開展,充分發揮彎曲作用下抗拉鋼筋的延性作用。剪力墻的塑性鉸通常出現在底截面,因此,剪力墻底部應設置加強區,加強范圍不宜小于H/8(H為剪力墻總高),也不小于底層層高。當剪力墻高度超過150m時,其底部加強部位的范圍可取墻肢總高度的1/10。影響墻肢延性的因素主要有:
(1)剪力墻截面有、無翼緣對剪力墻延性影響很大。當截面沒有翼緣時,延性較差。有了翼緣或端柱后,延性大為提高。
(2)剪力墻隨軸力增大,延性降低。
(3)當鋼筋總量不變,但端部鋼筋與分布鋼筋的分配比例不同時,墻肢延性不同。在規范許可條件下,適當增加端部鋼筋,減少分布鋼筋,即可提高承載力,又可提高延性。
(4)設置約束邊緣構件是提高延性的有效方法。
4、剪力墻墻體配筋
一般要求水平鋼筋放在外側,豎向鋼筋放在內側。鋼筋滿足設計計算及規范建議的最小配筋率即可。剪力墻的加強區域10@200,非加強區域8@200雙層雙向即可。雙排鋼筋之間采用6@600×600拉筋。但是地下部分的墻體配筋大多受到水壓力、土壓力產生的側壓力控制,因此需要另行計算和配置,地下部分的墻體由于簡化計算經常有豎向筋控制,在這種情況下為增大計算墻體的有效高度,可以經地下部分墻體的水平筋放置在內側,豎向筋放置在外側。
結束語
隨著人們的高層需求不斷增多,商業與住宅都出現了大量的高層建筑,這對城市的土地面積是一種有效的利用,符合目前社會發展的趨勢要求。高層建筑中剪力墻的應用更是體現出了絕對的優勢。不但滿足最基本的實用性要求,更是對人們日益增長的個性化需求、工程經濟性需求以及耐久性要求都可以實現。剪力墻結構設計技術的應用,極大地提高了建筑工程的質量,也有效降低了生產成本。在未來,剪力墻的結構設計將會有效避免劣勢問題,通過技術的運用、完善的計算,不斷提高剪力墻結構設計技術水平,促進我國建筑工程質量的不斷提升。
參考文獻
關鍵詞:高層建筑;結構設計;問題
中圖分類號:TU208文獻標識碼: A
高層建筑設計與施工是一個系統工程特別是設計階段的工作尤其要引起重視。高層建筑的結構設計還有其他的重點問題,比如扭轉的問題,要求幾何中心、剛度中心、結構重心合為一;此外還要注意抗風結構的設計,保護建筑的支撐結構和裝飾結構等;抗震結構也是建筑高層設計的難點,這需要設計人員有靈活性。最后,設計人員要注意消防設計,盡量減少高層失火對人們的傷害。
1、高層建筑結構設計的概況及意義
隨著我國城市化進程不斷加快,城市人口顯著增多,高層建筑在城市建設中發揮著越來越重要的作用。即使在建筑設計理念和方法日益先進的今天,仍會因為高層建筑復雜的結構,較廣的學術知識涉及和較大的工程量而出現設計失誤的現象。高層建筑結構設計的意義有:首先,如果建筑所使用的面積一定,設計和建造高層建筑可以獲得相對多一些的使用面積,可以解決城市用地緊張、房價高漲等問題。另一方面,精美的高層建筑設計還可以改善城市的外觀,或者說成為城市的一道風景。比如馬來西亞的石油大廈和上海的金茂大廈等等。而如果設計的建筑高層密度、結構不合理,就會給城市帶來熱島效應,影響城市居民的生活環境,甚至由于高層的玻璃因反光而發生光污染的現象。其次,如果是在建筑面積與建設場地面積的比值一定,那么建造高層建筑就會有效地節約城市土地面積,得到更多的空閑地面,用這些空閑出來的地面來進行城市綠化或者供人們休息娛樂。
2、高層建筑結構設計的特點
高層建筑結構可以設想成為支撐在地面上的豎向懸臂構件,承受著豎向荷載和水平荷載的作用,與多層建筑結構相比,高層建筑結構的設計具有以下幾個方面的特點。
2.1、水平荷載成為設計的決定因素
圖1高層建筑結構的受力及變形示意圖
對于高層建筑結構,一般是豎向荷載控制著結構的設計。隨著房屋層數的增加,雖然豎向荷載對結構設計仍有著重要影響,但水平荷載已經成為結構設計的控制因素。而且,與豎向荷載相比,作為水平荷載的風荷載和地震作用,其數值與結構的動力特性等有關,且具有較大的變異性。
在豎向荷載和水平荷載作用下,如圖1(a)(b)所示,高層建筑結構底部所產生的軸力N和傾覆力矩M與結構高度H分別存在著如下的關系式,即:
結構底部的軸力
N=ωH
結構底部的傾覆力矩
式中,ω、q、qmax分別為沿建筑單位高度的豎向荷載、均布水平荷載和倒三角形分布荷載的最大值(kN/m)。
2.2、側移成為設計的控制指標
我們知道,隨著建筑高度的增加,水平荷載作用下結構的側移急劇增大,水平位移增加的速度最快,內力次之。因此,高層建筑結構設計時,為了有效的抵抗水平荷載產生的內力和變形,必須選擇可靠的抗側力結構體系,使所設計的結構不僅具有較大的承載力,而且還應該具有較大的側向剛度,將水平位移控制在一定的范圍內。
2.3、延性成為結構設計的重要指標
對地震區的高層建筑,應確保結構在地震作用下具有較好的抗震性能。結構的抗震性能主要取決于其能量吸收與耗散能力的大小,而它又取決于結構延性的大小。因此,為了確保建筑結構在進入塑性變形后仍具有良好的抗震性能,需加強結構抗震概念設計,采取恰當的抗震構造措施,來確保結構具有較好的延性。
3、高層建筑結構設計的原則
高層建筑結構設計原則,是高層建筑結構設計過程中需要注意的重要標準和準則,也是高層建筑設計單位提高高層建筑結構設計質量與效益的重要保障。只有在一定的高層建筑結構設計原則支持下,才可以進行建筑結構設計。總體來講,高層建筑結構設計原則主要包括以下幾點:
3.1、基礎方案合理
建筑結構基礎方案是高層建筑結構設計的前提和基礎,在實際的建筑結構基礎方案設計中,需要根據實際施工地質條件,根據實際建筑結構施工需求進行設計。同時建筑結構基礎方案需要配置完善的施工地質調查報告,最大程度的發揮建筑物地基的潛力,必要的情況下還需要對地基的變形做好相應的演算。另一方面,還需要對建筑物進行綜合性分析,尤其是對于建筑物負荷以及上部結構類型,通過對這些綜合性分析,最終選定最適合的基礎方案,從而可以在提高設計質量的基礎上提高經濟效益。
3.2、計算簡圖適當
計算簡圖設計,也是高層建筑結構設計中需要注意的重要問題,主要原因在于高層建筑結構設計時需要對一些基本的數據進行計算分析,而這些計算分析都必須要建立在計算簡圖的基礎之上。只有通過計算簡圖基礎之上的數據分析,才可以提高高層建筑結構設計的安全性以及牢靠性。舉例來講,建筑物結構節點問題,建筑物結構節點并不是我們傳統觀念中的鉸節點或者是剛節點,在進行計算簡圖設計時,需要對建筑物結構節點進行深入研究,提高計算簡圖計算的精確性,進而將計算簡圖的誤差控制在合理的范圍內。
3.3、結構措施完善
除了基礎方案合理以及計算簡圖適當這兩大基本原則之外,還有一條基本原則是經常忽略的,那就是結構措施完善原則。在進行建筑物結構的設計時,需要注意結構組件的延展性,例如建筑物中鋼筋的錨固長度等。同時,還需要注意建筑物薄弱環節以及建筑物本身溫度對于建筑物組件的影響,對于這兩方面的問題,在實際的設計過程中,需要遵循“強柱弱梁、強剪弱彎以及強壓弱拉”的基本原則,只有這樣才可以提高高層建筑結構設計的安全性以及牢靠性。
4、高層建筑結構設計的問題
4.1、結構的規則性問題
新舊規范在這方面的內容出現了較大的變動,在這方面增添了相當多的限制條件。例如平面規則性信息、嵌固端上下層剛度比信息等,而且新規范采用強制性條文明確規定“建筑不應采用嚴重不規則的設計方案”。因此,在遵循新規范的這些限制條件上必須嚴格注意,以避免后期施工圖設計階段工作的被動。
4.2、超高問題
在抗震規范與高規中,對結構的總高度都有嚴格的限制。尤其是新規范中針對以前的超高問題,除了將原來的限制高度設定為a級高度的建筑外,增加了b級高度的建筑。因此,必須對結構的該項控制因素嚴格注意。一旦結構為b級高度建筑甚或超過了b級高度,其設計方法和處理措施將有較大的變化。
5、高層建筑結構設計的對策
5.1、高層建筑結構的規則性
高層建筑結構的規定了結構嵌固端的上下層的剛度比、平面規則性等等,因此,應嚴格按照規范執行。
5.2、高層建筑結構設計短肢剪力墻設置
短肢剪力墻在新規的定義是,墻肢的截面的高度和厚度比在5~8的墻,這加大了在高層建筑中使用的難度。因此,在設計高層建筑結構的過程中盡量避免使用。
結束語
改革開放以來,伴隨著國民經濟的快速發展,加上科學技術的不斷進步,我國高層建筑行業取得了重大的突破。高層建筑結構設計是否合理,不僅僅影響到高層建筑實施施工,而且還直接影響到高層建筑建設以及后期養護的順利開展。
參考文獻
[1]周世航.淺談高層建筑結構設計存在問題及解決對策[J].廣西城鎮建設,2013,05:80-82.
[2]殷輝.高層建筑結構設計存在問題及對策分析[J].硅谷,2013,21:164+141.
關鍵詞:剪力墻結構、受力性能、抗震設計
Abstract: the shear wall structure is resistance and the vertical load under lateral force, has been widely used in modern high-rise building. Because of its section the height of the great and relatively small thickness, have bearing capacity and rigidity plane within advantages, but also has the shear deformation relative more adverse performance. Based on the shear wall structure of the high-rise building aseismic design as discusses key, from the structural behavior and related codes are primarily discussed.
Key words: the shear wall structure, mechanical properties and seismic design
中圖分類號:TU973+.31文獻標識碼:A 文章編號:
前言
剪力墻結構是指用鋼筋混凝土墻代替框架結構中的柱,以承受豎向荷載、抵抗水平荷載的結構。其最大特點是能夠有效控制結構水平作用。《建筑抗震設計規范》(2010年版,以下未注明處相同)稱之為抗震墻,本文按照工程界習慣稱作剪力墻。多數情況下,剪力墻截面高度大于其厚度8倍,厚度相對而言較薄,一般僅為200~300mm。因此,從墻體尺寸可以看出,其墻身平面內抗側剛度很大,相反,平外面剛度卻很小。根據這一特點,在進行結構方案布置時,墻體應當沿建筑物主軸方向均勻布置,利用平面內較大剛度承受縱橫兩個方向的水平和扭轉作用。抗震設計中,要求在正常使用及小震作用下,處于彈性工作狀態;在中等強度地震作用下,允許進入彈塑性狀態,但應具有足夠承載力、延性;在強震作用(罕遇烈度)下,不應出現倒塌。此外還應保證結構穩定。現通過對剪力墻結構中抗震設計的相關要素分析,希望和廣大結構設計人員進行交流,共同進步。
受力性能
(1)整體墻和小開口整體墻
由于沒有洞口或洞口很小,此類墻可以看作是一個整體懸臂墻。在軸向壓力和水平力作用下,懸臂墻破壞形態主要是彎曲破壞。彎曲破壞又分為大偏壓和小偏壓破壞,要設計成“延性剪力墻”就是要把剪力墻的破壞形態控制在彎曲破壞中的大偏心破壞范圍。從墻體尺寸而言,細高的剪力墻(高寬比大于3)容易設計成彎曲破壞的延性剪力墻。另外,墻肢的平面長度(即墻肢截面高度)不宜大于8米。當一個結構單元中有少量長度大于8米的大墻肢時,計算中樓層剪力主要由這些大墻肢承受。一旦地震,尤其是在罕遇烈度地震時,大墻肢容易首先遭受破壞,而小的墻肢又無足夠配筋,使整個結構可能形成各個擊破。當墻的長度很長時,可以開設洞口,將長墻分成較小長度、較均勻的肢墻,保證均勻受力。
(2)連肢墻
實際工程中,剪力墻經過門窗分割形成連肢墻。洞口上下部位是連梁,洞口左右部位是墻肢。連肢墻的設計應把連梁放在抗震第一道防線,在連梁屈服前,不讓墻肢破壞。連梁自身要做到受剪承載力高于彎曲承載力。目的就是“強肢弱梁”和“強剪弱彎”。無論是在整體的開洞剪力墻設計,還是在連梁、墻肢等局部構件上的設計,都體現上述原則,才能保證墻肢安全。當連梁破壞時,結構會繼續承載,直至墻肢截面屈服。
結構設計
(1)強剪弱彎
為避免脆性剪切破壞,應按照” 強剪弱彎”的要求設計剪力墻墻肢。一般的方法是將剪力墻底部加強部分的剪力設計值增大,提高抗剪承載力。《建筑抗震設計規范》6.2.8條規定了各個抗震等級剪力墻底部加強部位的剪力設計值應乘以不同的剪力增大系數,以此進行抗剪配筋設計,從而實現” 強剪弱彎”的結構受力性能。
(2)加強底部塑性鉸區
一般在底部剪力墻彎矩最大,底截面鋼筋屈服后會形成塑性鉸區。而且,塑性鉸區(分布于一定范圍)是剪力最大部位,在反復荷載作用下,會形成交叉裂縫,可能出現剪切破壞。所以在塑性鉸區要采取加強措施,即底部加強部位。《建筑抗震設計規范》6.1.10條規定了底部加強部位的具體高度要求。目的就是提高受剪承載力,加強抗震的構造措施,提升結構的彈塑性變形能力。
(3)限制軸壓比
為保證剪力墻延性,避免截面上受壓區高度過大而出現小偏壓情況,應當控制剪力墻加強區截面相對受壓區高度,但截面受壓區高度與截面形狀有關,實際工程中剪力墻截面復雜,會增加計算受壓區高度的困難。為此,《建筑抗震設計規范》采用簡化方法,限制截面的平均軸壓比。計算軸壓比時,規范采用了重力荷載代表值作用下的軸力代表值,即考慮重力荷載分項系數1.2后的最大軸力設計值。《建筑抗震設計規范》6.4.2條具體要求了各個抗震等級下的墻肢軸壓比限值。在這里筆者想說明,2010年版《建筑抗震設計規范》6.4.2條較之前版本規范,增加了剪力墻抗震等級三級時0.6的軸壓比限值要求(之前版本對抗震等級三級無軸壓比限值要求)。筆者曾經參與過清遠地區某個剪力墻高層項目,剪力墻抗震等級三級,按照2010年版規范軸壓比限值0.6來控制,若從滿足軸壓比限值角度來布置剪力墻,相應的結構位移(剛度)大多數情況下都能夠滿足規范要求。由此可以看出,6度區剪力墻結構體系基本以豎向荷載作為剪力墻截面尺寸控制因素,當軸壓比限值滿足規范要求時,結構剛度一般都能夠滿足。在實際工程的結構方案(或初步設計)階段可由此先估算墻柱尺寸,計算結構整體受力性能。
(4)設置邊緣構件
邊緣構件分為約束邊緣構件和構造邊緣構件兩類。約束邊緣構件是指用箍筋約束的暗柱,端柱和翼墻,其箍筋較多(配箍率特征值相對較大),對混凝土的約束較強;構造邊緣構件的箍筋較少,對混凝土約束較差或沒有約束。剪力墻墻肢的塑性變形能力和抗地震倒塌能力,除了與縱向鋼筋有關外,還與截面形狀、截面相對受壓區高度(軸壓比),墻梁端的約束范圍、約束范圍內的箍筋配箍特征值有關。當截面相對受壓區高度(軸壓比)大到一定時,需要設置約束邊緣構件,使墻肢端部成為箍筋約束混凝土。《建筑抗震設計規范》6.4.5條對邊緣構件的尺寸、配筋都做了具體的說明。特別是6.4.5-2款規定了“一、二、三級抗震墻,以及部分框支抗震墻結構的抗震墻,應在底部加強部位及相鄰的上一層設置約束邊緣構件,在以上其他部位可設置構造邊緣構件。”這一點剛好就和本文之前提到的”加強底部塑性鉸區”一節相呼應,可以看出,通過設置約束邊緣構件,可以提高墻肢端部混凝土極限壓應變、改善剪力墻延性。
(5)控制墻肢截面尺寸
剪力墻墻肢截面厚度,除了要滿足承載力的要求外,還要滿足穩定和避免過早出現斜裂縫的要求。一般情況下,把穩定要求的厚度稱作最小厚度,通過構造滿足。在實際結構體系中,
樓板以及與剪力墻平面外相交的剪力墻,是剪力墻的側向支撐,可防止剪力墻失穩。通常情況下,剪力墻最小厚度由樓層高度控制。《建筑抗震設計規范》6.4.1條規定了剪力墻最小厚度要求。設計時需留意。另外,就是本文之前提到過的墻段高寬比不宜小于3,《建筑抗震設計規范》6.1.9條也做了具體的要求。
(6)配置分布鋼筋
《建筑抗震設計規范》6.4.3條對剪力墻內分布鋼筋的配置提供了具體說明。特別是6.4.3-1款:“一、二、三級抗震墻的豎向和橫向分布鋼筋最小配筋率均不應小于0.25%,四級抗震分布鋼筋最小配筋率不應小于0.20%。”剪力墻中,分布鋼筋的作用主要是:抗剪、抗彎、減小收縮裂縫等。如果豎向分布鋼筋過少,墻肢端部的縱向受力鋼筋屈服后,裂縫將迅速開展,裂縫的長度、寬度都較大;如果橫向分布鋼筋過少,斜裂縫一旦出現就發展成主要斜裂縫,剪力墻將沿斜裂縫被剪壞。因此,墻肢的豎向和橫向分布鋼筋最小配筋率是根據限制斜裂縫開展要求確定的。
結束語
剪力墻結構具有較好的抗震性能,且結構布置靈活,可以很大程度減小結構構件對建筑的使用影響,所以高層住宅較多使用這種結構形式。在抗震設計中,針對剪力墻結構受力體系及相關規范條文進行分析理解,合理采用計算分析方法,并采取相應構造措施,相信剪力墻結構能夠以更加經濟、實用的優勢展現在住宅設計中,具有更廣闊的發展前景。
參考文獻
施嵐清---注冊結構工程師專業考試專題精講—建筑抗震設計機械工業出版社 2011
【關鍵詞】高層建筑;結構設計;設計要點;對策
1高層建筑結構設計的特點分析
(1)水平力是設計的決定性因素。在低層或者多層的建筑結構設計中,常常用重力為代表的豎向荷載去控制建筑物的結構。然而,在高層建筑中,雖然豎向荷載能起到一定的控制作用,但是水平荷載在其中卻起著決定性的作用,因而不能忽視。使得水平荷載比豎向荷載更起決定性作用的主要原因在于,高層建筑物的自身重量和使用荷載在豎向構件中能夠引起的軸力和彎矩的數值,僅僅與建筑物的高度一次方成正比,而水平荷載對結構產生的傾覆力矩以及在豎向構件中引起的軸力,與建筑高度兩次方成正比。
(2)側移是設計的重要控制指標。在高層建筑結構設計中,結構側移是高樓結構設計中的重要控制因素,這一點與低層建筑不一樣。當樓房的高度不斷增加的時候,水平荷載下的結構側移變形會逐漸拉大,這就給高層建筑的穩定性造成了一定的影響。因此,在設計高層建筑結構的時候,應該將水平荷載作用下的側移控制在一個限度之內。
(3)抗震設計要求較高。在高層建筑結構設計中,對于抗震設計的要求顯得更高。一般來說,除了要求抗震設防的高層建筑有普通的豎向荷載、風荷載以外,還應該促進結構設計具有良好的抗震性能,達到小震不壞,大震不倒的目的。
(4)軸向變形需加以重視。在高層建筑中,豎向荷載數值變大的時候,會在柱內產生較大的軸向變形,使得連續梁彎矩發生變化,讓連續梁之間支座處的負彎矩值變小,還會對預制構件的下料長度造成影響。因此,在進行高層建筑結構設計的時候,要對軸向變形的數據進行仔細計算,對下料長度進行有效的調整,防止高層建筑的軸向變形數據不斷拉大。
2 高層建筑結構設計的原則
高層建筑結構的設計是一個復雜繁瑣的內容,其中需要注意的內容涉及也十分廣泛,根據多年的工作經驗總結,主要集中在以下幾個方面:
2.1結構方案的選擇
合理的結構設計方案對于工程來講是十分關鍵的,好的設計方案在滿足結構形式和體系的基礎上,還要充分考慮造價成本,把經濟適用發揮到最大程度。結構體系的最基本的原則是受力明確、傳力簡單,結構方案在滿足使用、安全要求的基礎上,盡量的簡潔。最終結構方案的確定,需要對地理條件、工程設計需求、材料的選擇和施工條件等進行全面的考量和整合,并且和建筑水、暖、電各個分項相互協調,綜合各方面因素進行最后的確定。
2.2計算簡圖的選擇
計算簡圖是進行高層建筑結構設計的基礎,是所有計算數據的出處和根源所在。關系到各環節的建筑尺寸和誤差。如果不能選擇合理的計算簡圖,對于結構安全就會埋下隱患。因此,高層建筑結構設計的安全保障前提,就是合理計算簡圖的選擇。同時,在選擇了計算簡圖之后,還應該采用相應的構造方法保證其安全性。在結構的實際施工中,結構節點不單單是鋼節點或者鉸接點,要使得計算簡圖的誤差在規定的允許范圍之內。
2.3 計算結果要進行準確的分析
科技的發展也推動建筑領域不斷的進步,計算機作為現在科技發展的集中產物,自然在建筑結構設計中也得到了廣泛的應用。經過幾年的發展,市場上的計算機軟件種類和數量都大大提升,但問題也隨之涌現出來,很多時候,統一種類的計算數據在不用軟件中處理產生的結果并不一致。這就對計算數據的準確程度提出了嚴苛的校對要求,也對結構設計人員的能力提出了更高水平的要求。在全面了解軟件的使用范圍和條件的基礎上,選擇最為合理準確的軟件也成為設計人員必須完成的課題。與此同時,建筑結構受到各種不可掌控的實際情況制約,與計算機得出的理想結果不能達到完全的吻合,因此在計算機輔助設計的同時,設計人員的主導能力還是最為關鍵的。
3高層建筑結構設計中關鍵要點分析
(1)扭轉問題設計。要求高層建筑的結構設計必須三心盡可能匯于一點,即建筑結構的剛度中心、幾何形心、結構重心三心合一。倘若在設計中未很好地做到三心匯聚一點,建筑易發生扭轉問題,并在水平力作用下造成高層建筑結構的毀壞。
(2)抗風結構設計。高層建筑由于其具有樓層多,高度高的特點,因此相比較其他建筑,在建筑物表面更易改變風的流動性和空氣的動力效應。在樓層柔軟部分風和空氣會產生動力形式和靜力形式,并由此產生的震動,會對樓層的墻體、裝飾結構以及支撐結構產生破壞,危害建筑的穩定性,所以在進行高層結構設計的過程中,應該進行抗風結構的設計,杜絕建筑物在自然因素的影響下留下隱患。
4高層建筑結構設計問題的有效對策
4.1合理設計平面布局
高層建筑結構設計過程中,扭轉問題出現的原因是由于三心未合一導致的建筑物質量分布不均勻。所以在設計過程中,相關設計人員對高層建筑應當采用相對規則的圖形,例如正方形、矩形、圓形、正多邊形等較為簡單、分布均衡的平面形式。盡量不采用L形、T形、十字形等復雜平面形式。在環境要求或結構要求特殊情況下,應當根據相應規范進行設計,避免建筑結構突出部分過大,同時盡量保證結構的對稱性。
4.2優化抗風結構設計方案
針對高層建筑結構抗風結構存在的難點和問題進行優化。一是基礎優化。要保證高層建筑結構的抗風性良好,首先要保證高層結構的基礎牢固。二是增加高層建筑耗能結構設計。在高層建筑結構設計過程中,對相應非承重構件利用耗能構件如樓板、剪力墻等來抵消風能對建筑的影響。三是減小水平荷載和風力疊加對高層建筑的影響。四是增大結構承載力和抗風力。根據相關數據進行高層建筑結構承載力驗算和抗風力驗算,在此基礎上制定一個放大系數,進一步保證高層結構的抗風性能。
4.3優化抗震結構設計方案
當今高層建筑結構的抗震設計存在很多問題和難點,結合相關設計經驗總結了集中抗震結構的優化方案。一是合理布置抗側力構件。二是增加地基抗震能力。三是設計高性能剪力墻。高性能剪力墻的設計能夠有效地提高剪力墻在地震過程中吸收建筑內力的能力,可以適當增加墻體和樓板的剛度來控制建筑位移,達到抗震目的。四是進行高層結構構件的簡化和一體化。通過對扶壁、筒口、筒腳的簡單化設置,達到相應建筑物的對稱。
4.4加強消防結構設計
當下很多大型火災、恐怖襲擊等惡劣事件已經讓高層建筑的消防結構設計面臨必須改善和加強的地步,但是消防設計應該從消防結構設計和使用期間消防規范來共同執行。在高層建筑消防結構設計過程中,應該加強對防火結構間的距離控制,在符合當地的地形條件基礎上,高層結構在防火結構間距離上可適當加大處理。在材料使用上,可以盡量減少易燃材料的使用,同時增加耐火材料的運用來達到防火目的。另外,良好的疏散系統是保證火災發生之后減少人員損傷的重要保證。高層建筑的疏散系統呈垂直狀態,容易導致疏散效率不高的問題出現。在消防結構設計時,可以通過設置雙通道疏散,增設防煙區、耐火區、避難層等設施來增加消防能力。同時,高層結構可以通過設置相應的隔離結構來有效地控制火勢蔓延,增強建筑消防安全能力。
參考文獻:
[1]柳奕成.高層建筑混凝土結構設計[J].江西建材,2014(04):20-21.
關鍵詞:結構設計;水平力;扭轉
Abstract: n, the specification only given the minimum limits or recommended values for the considerable part of the components in structural design, in the actual design process, everyone's different understanding may be take considerable differences in the entire design. There are some areas belonging to the conceptual design especially worthy us to explore together.Key words: structural design; horizontal force; to reverse
中圖分類號:TB482.2 文獻標識碼: A 文章編號:
隨著社會經濟的迅速發展和建筑功能的多樣化,城市人口的不斷增多及建設用地日趨緊張和城市規劃的需要,促使高層建筑得以快速發展。另一方面由于輕質高強材料的開發及新的設計計算理論的發展,抗風和抗震理論的不斷完善,加之新的施工技術和設備的不斷涌現,特別是計算機的普及和應用以及結構分析手段的不斷提高,為迅速發展高層建筑提供了必要的技術條件。
一、高層建筑結構設計的問題
(一)高層建筑結構受力性能
對于一個建筑物的最初的方案設計, 建筑師考慮更多的是它的空間組成特點, 而不是詳細地確定它的具體結構。建筑物底面對建筑物空間形式的豎向穩定和水平方向的穩定都是非常重要的,由于建筑物是由一些大而重的構件所組成, 因此結構必須能將它本身的重量傳至地面, 結構的荷載總是向下作用于地面的,而建筑設計的一個基本要求就是要搞清楚所選擇的體系中向下的作用力與地基土的承載力之間的關系,所以,在建筑設計的方案階段,就必須對主要的承重柱和承重墻的數量和分布作出總體設想。
(二)高層建筑結構設計中的扭轉問題
建筑結構的幾何形心、剛度中心、結構重心即為建筑三心,在結構設計時要求建筑三心盡可能匯于一點, 即三心合一。結構的扭轉問題就是指在結構設計過程中未做到三心合一,在水平荷載作用下結構發生扭轉振動效應。為避免建筑物因水平荷載作用而發生的扭轉破壞, 應在結構設計時選擇合理的結構形式和平面布局, 盡可能地使建筑物做到三心合一。在水平荷載作用下,高層建筑扭轉作用的大小取決于質量分布。為使樓層水平力作用沿平面分布均勻,減輕結構的扭轉振動,應使建筑平面盡可能采用方形、矩形、圓形、正多邊形等簡面形式。在某些情況下,由于城市規劃對街道景觀的要求以及建筑場地的限制, 高層建筑不可能全部采用簡面形式,當需要采用不規則L 形、T 形、十字形等比較復雜的平面形式時, 應將凸出部分厚度與寬度的比值控制在規范允許的范圍之內,同時,在結構平面布置時,應盡可能使結構處于對稱狀態。
(三)高層建筑結構設計中的側移和振動周期
建筑結構的建筑結構的振動周期問題包含兩方面: 合理控制結構的自振周期; 控制結構的自振周期使其盡可能錯開場地的特征周期。
1、結構自振周期
高層建筑的自振周期(T 1) 宜在下列范圍內:
框架結構: T 1= (0. 1~ 0. 15)N
框―剪、框筒結構: T 1= (0. 08~ 0. 12)N
剪力墻、筒中筒結構: T 1= (0. 04~ 0. 10)N
N 為結構層數。
結構的第二周期和第三周期宜在下列范圍內:
第二周期: T 2= (1 3~ 15 )T 1; 第三周期: T 3= (1 5~ 17)T 1。
2、共振問題
當建筑場地發生地震時, 如果建筑物的自振周期和場地的特征周期接近, 建筑物和場地就會發生共振。因此在建筑方案設計時就應針對預估的建筑場地特征周期, 通過調整結構的層數,選擇合適的結構類別和結構體系, 擴大建筑物的自振周期與建筑場地特征周期的差別, 避免共振的發生。
3、水平位移特征
水平位移滿足高層規程的要求, 并不能說明該結構是合理的設計。同時還需要考慮周期及地震力的大小等綜合因素。因為結構抗震設計時, 地震力的大小與結構剛度直接相關, 當結構剛度小, 結構并不合理時, 由于地震力小則結構位移也小, 位移在規范允許范圍內, 此時并不能認為該結構合理。因為結構周期長、地震力小并不安全; 其次, 位移曲線應連續變化, 除沿豎向發生剛度突變外, 不應有明顯的拐點或折點。一般情況下剪力墻結構的位移曲線應為彎曲型; 框架結構的位移曲線應為剪切型; 框―剪結構和框―筒結構的位移曲線應為彎剪型。
(四)位移限值、剪重比及單位面積重度
1、位移限值
在結構整體計算的輸出結果中, 結構的側移(包括層間位移和頂點位移) 是一個重要的衡量標準, 其數值大小從一個側面反映出結構的整體剛度是否合適, 過大或過小都說明結構剛度過小或過大(或者體現結構兩個主軸方向的剛度是否均衡) , 以致要引起設計者對其中的結構體系選擇、結構的豎向及平面布置合理性的再思考。現行規范中將頂點位移與層間位移并重對待,經實踐探索并參照國外經驗, 得出的結論為: 高層建筑尤其是超高層建筑, 頂點位移限值決定的不僅是其數值大小而且還有其振動頻率,人的舒適感覺與振動頻率有關而與振動幅度(絕對位移) 關系不大, 即擺動頻率不太高時就可滿足人們的舒適度; 其次, 防止結構由于變形過大而可能遭受損壞或破壞的控制因素是層間相對位移, 而其限值在現行規范中似偏嚴, 可予放松。同一結構用不同的計算程序計算, 如果其層間位移數值差異很大,則有可能是其“層間位移”內涵不同所致, 有的是指樓層形心位移, 有的則專指考慮樓層轉動后的最大角點位移, 后者通常比前者要大, 形心位移對規則建筑有意義, 而角點位移則更能反映結構樓層的真實位移,因此角點位移是結構工程師必須關注的一個數值。
2、剪重比及單位面積重度
結構的剪重比(也即水平地震剪力系數)是體現結構在地震作用下反應大小的一個指標, 其大小主要與結構地震設防烈度有關, 其次與結構體型有關, 當設防烈度為7、8、9度時, 剪重比分別為0. 012, 0. 024, 0. 040; 扭轉效應明顯或基本周期< 3. 5s 的結構剪重比則分別≮0. 016, 0. 032, 0. 064。單位面積重度是衡量結構構件截面取值是否合理和樓層荷載數據輸入是否正確的一個重要指標。
以上兩個指標不僅在施工圖設計階段, 而且在初步設計階段都是非常重要的數據, 其數值正常與否從另一個側面反映出結構體系的選擇是否合適, 結構布置(包括構件截面確定) 是否合理, 電算數據輸入是否正確, 以及最后決定電算結果是否可信可用等, 因此結構設計者對這兩個指標切不可掉以輕心, 更不可認為是無關緊要的。
二、高層建筑結構設計的特點
高層建筑結構設計與低層、多層建筑結構相比較,結構專業在各專業中占有更重要的位置,不同結構體系的選擇,直接關系到建筑平面的布置、立面體形、樓層高度、機電管道的設置、施工技術的要求、施工工期長短和投資造價的高低等。其主要特點有:
(一) 水平力是設計主要因素
在低層和多層房屋結構中,往往是以重力為代表的豎向荷載控制著結構設計。而在高層建筑中, 盡管豎向荷載仍對結構設計產生重要影響,但水平荷載卻起著決定性作用。因為建筑自重和樓面使用荷載在豎向構件中所引起的軸力和彎矩的數值,僅與建筑高度的一次方成正比; 而水平荷載對結構產生的傾覆力矩、以及由此在豎向構件中所引起的軸力,是與建筑高度的兩次方成正比。另一方面,對一定高度建筑來說, 豎向荷載大體上是定值, 而作為水平荷載的風荷載和地震作用,其數值是隨著結構動力性的不同而有較大的變化。
(二)側移成為控制指標
與低層或多層建筑不同,結構側移已成為高層結構設計中的關鍵因素。隨著建筑高度的增加,水平荷載下結構的側向變形迅速增大,與建筑高度H 的4 次方成正比。另外,高層建筑隨著高度的增加、輕質高強材料的應用、新的建筑形式和結構體系的出現、側向位移的迅速增大, 在設計中不僅要求結構具有足夠的強度,還要求具有足夠的抗推剛度,使結構在水平荷載下產生的側移被控制在某一限度之內,否則會產生以下情況:
1、因側移產生較大的附加內力,尤其是豎向構件,當側向位移增大時,偏心加劇,當產生的附加內力值超過一定數值時,將會導致房屋側塌。
2、使居住人員感到不適或驚慌。
3、使填充墻或建筑裝飾開裂或損壞 使機電設備管道損壞,使電梯軌道變型造成不能正常運行。
4、使主體結構構件出現大裂縫,甚至損壞。
(三)減輕高層建筑自重比多層建筑更為重要
高層建筑減輕自重比多層建筑更有意義。從地基承載力或樁基承載力考慮, 如果在同樣地基或樁基的情況下, 減輕房屋自重意昧著不增加基礎造價和處理措施,可以多建層數, 這在軟弱土層有突出的經濟效益。地震效應與建筑的重量成正比,減輕房屋自重是提高結構抗震能力的有效辦法。高層建筑重量大了,不僅作用于結構上的地震剪力大,還由于重心高地震作用傾覆力矩大,對豎向構件產生很大的附加軸力,從而造成附加彎矩更大。
關鍵詞:高層建筑;轉換層;結構設計;施工要點;探討;
一、引言
在高層建筑物的施工過程中,由于其結構的多樣性,給轉換層的結構設計帶來不少困難,在對轉換層進行設計時,必須要針對高層建筑的結構類別,對方案的設計采取區別性對待,認真設計,并通過精心組織施工,高要求確定模板、混凝土及鋼筋等的施工方案,為實現施工方案提供有利的條件,把施工的難度降低下來,為高層建筑轉換層的結構安全奠定堅實基礎。
二、高層建筑中轉換層設計的原則
(一)、高層建筑中轉換層的結構布置
通過分析得出,首先,底部轉換層位置越高,轉換層上、下的剛度突變越大,轉換層上、下內力傳遞途徑的突變就會越加劇。另外,轉換層的位置越高,落地剪力墻或簡體越容易出現受彎開裂,從而增大框支柱的內力,造成轉換層上部附近的墻體容易被破壞。其次,底部帶轉換層的結構,由于其上部的部分豎向構件,不能直接連續貫通落地,所以,必須設置安全可靠的轉換構件。就目前而言,轉換構件一般可采用轉換大梁、斜撐、箱形結構以及厚板等形式。由于在地震區使用轉換厚板的經驗較少,可在非地震區或六6抗震設計時采用,對于大空間地下室,因周圍有約束作用,地震反應小于地面以上的框支結構,因此,七八度抗震設計時,地下室設計可采用厚板轉換層。
(二)、高層建筑中對轉換層的抗震設計
首先,為確保轉換層設計的安全性,規定部分框支剪力墻結構轉換層的位置設置在三層以上時,其框支柱、剪力墻底部加強部位的抗震等級需要按照高規規定提高一個等級采用,以便提高其抗震構造措施。其次,對于底部帶轉換層的框架一―核心簡結構和為密柱框架的簡中簡結構的抗震等級不需要提高,只需要對轉換層的轉換構件水平地震作用的計算內力進行調整增大。在進行八度抗震設計時,還必須注意豎向地震作用的影響。
(三)、高層建筑中轉換層的豎向布置
首先,轉換結構要根據建筑功能和結構傳力的實際需要,沿著高層建筑物高度的方向一處或多處進行靈活布置。還可以依據建筑物功能的要求,將轉換層布置在樓層局部,且自身的這個空間既可作為技術設備層,也可作正常使用樓層,為防止沿豎向剛度過于懸殊,前提是必須確保轉換層有足夠的剛度。其次,對于大底盤多塔樓的商住建筑來說,塔樓的轉換層設置在裙房的屋面層比較適宜,為避免中間出現剛度特別小的樓層,減小震害,設計時還必須加大屋面梁、厚度及板尺寸。對部分框支剪力墻高層建筑結構,其轉換層的位置設計,若是七度區則不要超過第五層,若是八度區則設置不宜超過第三層。
三、高層建筑轉換層結構形式及特點
高層建筑轉換層結構形式主要有梁式轉換、箱式轉換、板式轉換、桁架轉換、斜柱轉換等幾種形式。梁式轉換是高層建筑中使用頻率比較多的結構形式。轉換梁的截面通常是0.8至1米。梁式轉換傳力路線比較明確,這就給建筑工程的研究計算與設計帶來很大的便利,在加上其成本較低,因此應用范圍比較廣。箱式轉換是通過雙向與單向兩個方面來實現的,與上下兩層較厚的樓板結合在一起,成為一個整體。這種方式要求轉換層必須有較大的剛度。
板式轉換是當其厚度無次序、分錯開較大、梁承托不了的時候。這種形式的轉換層的下層靈活度大,但因為比較厚重,施工的時候難度提高了很多,相對比較麻煩。桁架轉換與其它的轉換層結構形式相比,其受力路徑更清晰,抗震能力更好,使用更靈活。但其節點的設計比較麻煩,加上其它的不利因素,運用范圍不是太廣。斜柱轉換層能夠使混凝土的可壓縮性進行充分發揮,擴大了建筑物的可利用空間,不足之處會使水平荷載加大。因此,對斜柱轉換層進行施工時,需要添加拉梁或圈梁,將斜柱連接更多的樓層,相對減少水平荷載,促使建筑達到平衡,確保了建筑的安全。
四、高層建筑轉換層的施工設計要點
(一)、高層建筑鋼筋工程結構設計要點
由于高層建筑轉換層具有鋼筋高含量、主筋長、鋼筋布置密集的特點,因此,在施工時要準確地翻樣、下料,安放、安裝好鋼筋,防止鋼筋發生“搶位”而造成的返工問題
首先是關于鋼筋的翻樣、下料。對轉換層設計理念進行分析,在對設計文件說明認真審核和熟悉的基礎上,結合實際條件翻樣施工工作;適當增加節點空間,以便為混凝土的澆灌和振搗提供有利的施工條件;閃光對焊大梁主筋接頭,除了要做好電焊培訓工作之外,還要保證施工材料的質量;分別設置跨中1/3的跨長內和支座1/3跨長內于梁上部的主筋接頭、部主筋接頭兩個位置,在下料主筋的同時,對所有鋼筋的接頭位置進行合理安排,防止主筋焊接接頭的重疊;梁主筋需要根據接位的順序進行編號,主筋下料的時候也要密切關注對焊接頭的準確性。
其次是關于鋼筋的安裝、就位。大梁鋼筋的安放需注意:搭設臨時的鋼管擱架,搭設位置在梁底上方;鋪設縱筋和首排面筋于擱架下的橫桿上;鋪設所有主筋于梁下部上;鋪設首排面筋于擱架下的橫桿上并將鋼筋做成S形。首層面筋鋪設后,鋪設第二排縱筋,第二排縱筋鋪設完畢后,再鋪設第三排縱筋,逐層掛起全部縱筋;梁縱筋的安裝,梁與梁之間的位置,柱節點箍筋安裝位置和數量,要通過依次交叉穿插和上下交替擱置等方式進行確定,在每一層的主筋之間穿插柱箍筋,特大梁鋼筋骨架就位之后,按需固定和綁扎柱箍筋。
(二)、高層建筑模板工程結構設計要點
第一,對模板支撐工程方案的選擇,要求其具有適用性。在對方案進行選擇時,需要對支撐系統的穩定程度及強度進行細致檢驗。在進行混凝土澆筑之前,必須完成支撐系統的搭建,并確保其牢固程度。
第二,對支撐系統的腳手架進行設計時,要將其寬度控制在1200mm左右,高度控制在1700-1900mm之間,托頂和加調座底在門式腳手架之上,托頂與底座的距離控制在900mm左右,確保支撐兩層門架中間可以交叉與連接。
第三,將鋼管水平架布置在轉換梁的側模位置,每根鋼管的間隔控制在450mm,采用配對拉螺栓將鋼管加固。在施工之前,要對拉螺栓的牢固程度及側模的剛度進行檢查,對第一層的梁板支撐進行拆除時,要確保在七個小時之后進行。
4.結束語
通過以上分析,不難看出,在高層建筑物的施工過程中,轉換層的施工設計是結構設計的一個難點,由于建筑空間的整體復雜性,建筑結構的施工技術控制也會在不斷的發生變化,為了能夠對建筑工程的整體的空間布局進行有效控制,就必須在結構的轉換上下大力氣。因此,隨著建筑物結構的不斷變化,轉換層截稿施工設計也要不斷的變化,加強對轉換層的整體施工質量進行控制,確保建筑工程最終的整體施工進度,以實現工程建設安全、適用、經濟的綜合目標。
參考文獻:
關鍵詞:高層建筑;轉換層;結構設計
1、結構轉換層定義及其布置原則
1.1定義:建筑物某層的上部與下部因平面使用功能不同,該樓層上部與下部采用不同結構類型,并通過該樓層進行結構轉換層。
1.2布置原剛:由于高層建筑結構下部樓層受力很大,上部樓層受力較小,正常的結構布置應是下部剛度大,墻體多、柱網密,到上部漸漸減少墻、柱的數量,以擴大柱網。這樣,結構的正常布置與建筑功能對空間的要求正好相反。因此,為滿足建筑功能的要求,結構必須進行“反常規設計”,即將上部布置小空間,下部布置大空間;上部布置剛度大的剪力墻,下部布置剛度小的框架柱。為了實現這種結構布置,就必須在結構轉換的樓層設計水平轉換構件,即轉換層結構。結構特性高層建筑轉換層按照結構來分類主要有以下幾個形式:梁―柱體系、桁架體系、墻梁體系、厚板轉換體系等,其中以梁―柱體系最為常用。按照轉換層結構功能的不同,一般可分為以下三類:建筑上、下部分之間結構類型的轉換,此類建筑上部和下部采用的結構形式不同。建筑上、下部分之間的柱網尺寸不同,這種建筑雖然上下部分的結構類型相同,但通常需要通過轉換層,擴大其下部結構的柱距,以形成大柱網。同時具備轉換結構和擴大軸線尺寸的混合形式。
2、轉換層設計原則
2.1轉換層的豎向布置
轉換結構可根據其建筑功能和結構傳力的需要,沿高層建筑高度方向一處或多處靈活布置;也可根據建筑功能的要求,在樓層局部布置轉換層,且自身的這個空間既可作為正常使用樓層,也可作技術設備層,但應保證轉換層有足夠的剛度,以防止沿豎向剛度過于懸殊。對大底盤多塔樓的商住建筑,塔樓的轉換層宜設置在裙房的屋面層,并加大屋面梁、板尺寸和厚度,以避免中間出現剛度特別小的樓層,減小震害。對部分框支剪力墻高層建筑結構,其轉換層的位置,7度區不宜超過第5層,8度區不宜超過第3層。轉換層位置超過上述規定時,應作專門研究并采取有效措施。
2.2轉換層的結構布置
研究得出,底部轉換層位置越高,轉換層上、下剛度突變越大,轉換層上、下內力傳遞途徑的突變就越加劇;此外,轉換層位置越高,落地剪力墻或簡體易出現受彎裂縫,從而使框支柱的內力增大,轉換層上部附近的墻體易于破壞。總之,轉換層位置越高對抗震越不利。
底部帶轉換層結構,轉換層上部的部分豎向構件不能直接連續貫通落地,因此,必須設置安全可靠的轉換構件。按現有的工程經驗和研究結果,轉換構件可采用轉換大梁、斜撐、箱形結構以及厚板等形式。由于轉換厚板在地震區使用經驗較少,可在非地震區和6度抗震設計時采用,對于大空間地下室,因周圍有約束作用,地震反應小于地面以上的框支結構,故7,8度抗震設計時的地下室可采用厚板轉換層。
2.3轉換層的抗震設計
為保證設計的安全性,規定部分框支剪力墻結構轉換層的位置設置在3層以上時,其框支柱、剪力墻底部加強部位的抗震等級宜按高規規定提高一級采用,提高其抗震構造措施,而對于底部帶轉換層的框架一核心簡結構和為密柱框架的簡中簡結構的抗震等級不必提高。對轉換層的轉換構件水平地震作用的計算內力需調整增大;8度抗震設計時,還應考慮豎向地震作用的影響。
3、轉換層結構的設計要點
高層建筑轉換層的設計造成建筑物的剛度發生突變在水平地震荷載作用下,轉換層上下容易形成薄弱環節,因此在進憲高層建筑轉換層設計是,要注意下述要點;
3.1應協調上下部分結構布置,盡量減少轉換結構的數量;
3.2盡量降低轉換層建筑中的高底,提高建筑整體穩定性;
3.3保證結構豎向剛度比;
4、梁式轉換層結構的設計
4.1框支柱的設計
有地震組合時,一級、二級框支柱承受的地震的作用產生的軸力設計計算值分別乘以1.50,1.25的調整放大系數;框支柱承受的地震剪力標準值應按下列規定采用;框支柱的數目多于10根時,當框支層為1-2層時,每層每根柱承受的剪力之和應取基底剪力的20%;當框支層為3層及3層以上時,每層框支柱承受剪力之和應取基底剪力的30%;框支柱剪力調整后,應相應調整框支柱的彎矩及柱端梁的剪力、彎矩,框支柱軸力可不調整;而當框支柱的數目不多于10根時,當框支層為1-2層時,每層第根柱承受的剪力應到少取基底剪力的2%;當框支層為3層及3層以上時,各層每根柱所受的剪力應至少取基底剪力的3%。
4.2框支梁的設計
框支梁截面尺寸一般由剪壓比控制,寬度要大于其上墻厚的2倍,且大于400mm;高度大于計算跨度的1/6。工程框支梁梁寬統一定為800mm。框支梁受力巨大且受力情況復雜,它不但是上下層荷載的傳輸樞紐,也是保證框支剪力墻抗震性能的關鍵部位,是一復雜而重要的受力構件,因而在設計是應留有較多的安全儲備二級抗震等級的框支梁縱筋配盤率大于0.4%。框支梁在滿足計算要求下,配筋率大于0.8%。框支梁一般為偏心受拉構件,梁中有軸力存大,因而應配置足夠數量的腰筋。
4.3轉換層樓板的設計
框支剪力墻結構以轉換層為分界,上下兩部分的內力分布規律是不同的。在下部樓層由于框支柱與落地剪力墻間的剛度差異,水平剪力主要集中在落地剪力墻上,即在轉換層入荷載分配產生突變;而在上部樓層,外荷載產生的水平力大體上按各片剪力墻的等效剛度比例分配。轉換層樓板承擔著完成上下部分剪力重分配的任務;由于轉換層樓板自身平面內受力很大,而變形也很大,所以轉換層樓必須有足夠的剛度作保證。
5、轉換梁結構設計方法
轉換梁的設計方法主要有;
5.1按普通梁進行受彎構件承載力計算,但須采用高層建筑結構計算分析程序TAT、TBSA或TOWER等;
5.2按偏心受拉構件截面設計方法進行計算,但必須把有限元分析得到的轉換大梁的內力轉化為截面內力,然后進行正截面承載力和斜截面承載力計算。
5.3按深梁截面進行設計,取轉換大梁高跨比在1/8-1/6,此時要考慮轉換大梁的跨度,一般轉換大梁跨度大于12m時,要考慮上部墻體多于3層進行分析計算,否則計算結果偏不安全。
6、轉換梁設計的注意點
6.1轉換梁設計占高層建筑轉換層設計的決大多數,在實際應用中,通常把轉換層作為設備層來使用。因此,在轉換梁設計中要考慮腹部開口相對大小和開口位置;
6.2要充分考慮轉換梁與上部結構共同工作的程度,通常分為完全、部分和沒有共同工作三種情況來分板,否則會造成梁的跨中彎矩和支座剪力與實際情況發生很大差異;
6.3盡量避免轉換層與下部結構豎向剛度產生突變,對下部結構在滿足建筑物使用功能要求的基礎上,應提高下部結構的截面尺寸,增加剪力墻、提高混凝土的強度等級;
6.4轉換層是一種不利于抗震的設計方法,在抗震設防烈度為9度時不應使用;
6.5設計時要充分考慮施工的可操作性
結束語