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摘要：随着高层建筑功能多样化的发展,带转换层的高层建筑成为高层建筑的一大趋势。本文以带结构转换层的实际工程为例, 分析了不同尺寸的转换梁对结构上部剪力墙内力的影响, 及构件超限数量的分布规律, 并与一般框支剪力墙的应力分布进行了比较。
关键词：结构转换层；转换梁刚度；剪力墙；构件超限
Abstract: With the development of diversified functions of high-rise buildings, high-rise buildings with conversion layers have become a major trend. Taking the practical engineering with structure conversion layers as an example, this paper analyzed the influence of different sized beam conversion structure on the shear wall internal force and distribution laws of the number of component overloading and compared this with the stress distribution of ordinary frame supported shear wall.
Keywords: structure conversion layer; conversion beam stiffness; shear wall; component overloading
中图分类号：TU398+.2文献标识码：A文章编号：
随着经济改革的发展, 现代高层建筑向多功能、综合用途发展, 尤其是临街高层建筑, 其功能布置一般为上部为住宅、旅馆, 下部楼层作商店、餐厅等。不同的用途需要不同的空间组合形式, 因此近几年来出现了上部楼层为小开间剪力墙, 而下部楼层为大柱网框一剪结构形式, 上述功能要求与结构的合理布置要求正好相反, 出现了上部刚度大而下部刚度小的竖向结构体系。为了实现这种结构布置就必须在结构转换的楼层设置转换层以保证结构受力的正确传递。转换层的合理设计将直接影响结构的受力及构件尺寸确定。本文以某综合大厦的结构计算为实例, 分析转换层对结构的受力影响, 提出了高层结构设计中应注意的一些问题和一般规律, 对合理调整构件尺寸, 做到既经济又安全, 具有一定的实际意义。
一、工程概况
本工程为一幢综合型高层需较大空间, 上部为分隔较多的小空间, 因此结构方案采用上部为剪力墙, 下部为框一剪结构, 在第3 层楼面设置结构转换层, 板厚250 mm 。
二、结构转换层类型的选择
转换层的结构形式一般可分为梁式、板式和箱形式三种基本类型。箱形和板式转换层受力较为复杂, 利用三维空间计算程序作整体受力分析后还要用有限元法进行局部分析后才能用于设计, 同时箱形和板式转换层混凝土耗用量较大, 造价高, 而梁式转换层(包括析架式、空腹析架式等杆系转换层) 受力简单, 三维空间计算程序结果可直接用于设计, 同时施工方便, 混凝土耗用量少, 造价低, 是一般高层建筑转换层广泛采用的一种结构形式。
三、转换梁刚度对剪力墙内力的影响
由于转换层附近结构内力分布非常复杂, 一般在实际工程中首先根据建筑设计要求和估算确定剪力墙的布置, 对转换梁构件尺寸进行试算、调整。对转换梁尺寸的选择带有一定的盲目性, 根据本工程选择的16 种不同转换梁尺寸的电算结果分析表明, 结构转换层刚度对上部结构内力的影响存在一定的规律。
1.转换梁高度对剪力墙超限构件数量的影响
转换梁刚度D=EhI, 当混凝土强度等级确定后, I 是影响刚度的主要因素, 根据材料力学公式I=bh3/I2 可知, 刚度与梁的宽度成正比, 与梁的高度的3 次方成正比, 故梁的高度变化明显影响梁的刚度变化, 因此首先分析梁的高度变化与剪力墙内力变化的规律。以梁宽b=0.8m为例分别绘出当h=1.0、1.5 、2.0 、2.5m 时剪力墙的超限构件数量关系如图1
图1
根据图1可知, 梁的高度越大, 构件的总超限数越少, 各层的超限构件数目与总超限构件数目变化趋势一致。同时超限构件数目集中在转换层上( 第4 层) , 占总超限构件数目约50% 以上, 且转换梁的高度越大, 所占比例越大(h=2.5 、2.0 、1.5 、1.0 m 时分别为70%、53 % 、50 % 、48 % ) , 可见梁的高度越大,沿高度剪力墙内力变化越大, 反之亦然.但总的影响高度基本不变( 至第9 层) 。当梁的高度为lm 时, 超限构件数目明显增加( 本例从1.5m一1.0m , 超限构件数目增加1.5 倍;2.5~1.5m之间每级增加约20 % ),即当梁的高度太小时, 结构的受力状态明显变差, 设计时转换梁的高度不宜太小。
2 . 转换梁宽度对剪力墙超限构件数量的影响
以转换梁高度2.5m为例, 宽度为0.6 m 、0.7m、0.8m、0.9m时剪力墙的超限构件数目变化曲线见图2。结果表明当梁的高度一定时,梁的宽度变化对上部剪力墙内力变化有一定影响。梁的宽度越大, 靠近转换层的楼层超限构件数越少, 内力变化影响高度越大(b=0.9 m 时影响达到第9 层) ; 梁的宽度越小, 靠近转换层的楼层超限构件数越多, 内力变化影响高度越小(b=0.6 m 时影响达到第7 层) , 但超限构件总数基本不变。
3 .转换梁刚度对剪力墙超限构件数量的影响
以上分别讨论了转换梁高度和宽度对上部剪力墙内力的影響规律, 为了综合上述转换梁尺寸变化对上部结构内力的影响, 讨论转换梁的刚度变化对超限构件数目影响的变化规律具有一定意义。为了便于分析, 以0.6m×1.0m 的转换梁刚度为1.0 , 其余各梁的刚度取相对值, 其变化规律如图3所示。梁的刚度和超限构件数量变化曲线为一抛物线, 当梁的相对刚度小于10时,越限构件数量明显增加; 梁的相对刚度大于16 时, 构件超限数量增加很少, 因此在设计中应合理选用转换梁尺寸。
图2图3
4 .带转换层结构上部剪力.内力与普通框支剪力墙内力的比较
根据对电算结果的分析及与普通框支剪力墙内力分析的比较, 表明两者之间存在较明显的差别:
(l)转换梁的刚度对上部剪力墙内力的影响范围有明显作用, 而框支剪力墙上部内力的影响范围仅与框架的净跨Lo有关;
(2) 带转换层结构的上部剪力墙一般都开有洞口。且布置位置随建筑要求不同而不同, 故上部结构内力变化较为复杂, 有时局部出现异常(如本例第7 层) , 而一般框支剪力墙的内力变化符合弹性理论的分析结果;
(3) 带转换层结构的上部剪力墙内力变化规律数据具有一定的离散性, 而框支剪力墙的内力变化完全可按弹性理论的方法进行分析。
由以上几点可知, 带转换层结构的内力分析不能完全按框支剪力墙内力分析规律对整体结构进行分析, 其本身具有一定的特殊性和规律性。
四、结语
以上从结构总体的角度重点分析了带转换层建筑上部结构的超限构件变化规律, 详细的内力变化规律及下部结构的内力变化仍有待深入探讨。此外, 转换梁的高度可能会影响到建筑的层高, 因此设计中应综合考虑, 选择适当的构件尺寸使之既满足结构要求, 又获得较好的经济指标。
关键词：结构转换层；转换梁刚度；剪力墙；构件超限
Abstract: With the development of diversified functions of high-rise buildings, high-rise buildings with conversion layers have become a major trend. Taking the practical engineering with structure conversion layers as an example, this paper analyzed the influence of different sized beam conversion structure on the shear wall internal force and distribution laws of the number of component overloading and compared this with the stress distribution of ordinary frame supported shear wall.
Keywords: structure conversion layer; conversion beam stiffness; shear wall; component overloading
中图分类号：TU398+.2文献标识码：A文章编号：
随着经济改革的发展, 现代高层建筑向多功能、综合用途发展, 尤其是临街高层建筑, 其功能布置一般为上部为住宅、旅馆, 下部楼层作商店、餐厅等。不同的用途需要不同的空间组合形式, 因此近几年来出现了上部楼层为小开间剪力墙, 而下部楼层为大柱网框一剪结构形式, 上述功能要求与结构的合理布置要求正好相反, 出现了上部刚度大而下部刚度小的竖向结构体系。为了实现这种结构布置就必须在结构转换的楼层设置转换层以保证结构受力的正确传递。转换层的合理设计将直接影响结构的受力及构件尺寸确定。本文以某综合大厦的结构计算为实例, 分析转换层对结构的受力影响, 提出了高层结构设计中应注意的一些问题和一般规律, 对合理调整构件尺寸, 做到既经济又安全, 具有一定的实际意义。
一、工程概况
本工程为一幢综合型高层需较大空间, 上部为分隔较多的小空间, 因此结构方案采用上部为剪力墙, 下部为框一剪结构, 在第3 层楼面设置结构转换层, 板厚250 mm 。
二、结构转换层类型的选择
转换层的结构形式一般可分为梁式、板式和箱形式三种基本类型。箱形和板式转换层受力较为复杂, 利用三维空间计算程序作整体受力分析后还要用有限元法进行局部分析后才能用于设计, 同时箱形和板式转换层混凝土耗用量较大, 造价高, 而梁式转换层(包括析架式、空腹析架式等杆系转换层) 受力简单, 三维空间计算程序结果可直接用于设计, 同时施工方便, 混凝土耗用量少, 造价低, 是一般高层建筑转换层广泛采用的一种结构形式。
三、转换梁刚度对剪力墙内力的影响
由于转换层附近结构内力分布非常复杂, 一般在实际工程中首先根据建筑设计要求和估算确定剪力墙的布置, 对转换梁构件尺寸进行试算、调整。对转换梁尺寸的选择带有一定的盲目性, 根据本工程选择的16 种不同转换梁尺寸的电算结果分析表明, 结构转换层刚度对上部结构内力的影响存在一定的规律。
1.转换梁高度对剪力墙超限构件数量的影响
转换梁刚度D=EhI, 当混凝土强度等级确定后, I 是影响刚度的主要因素, 根据材料力学公式I=bh3/I2 可知, 刚度与梁的宽度成正比, 与梁的高度的3 次方成正比, 故梁的高度变化明显影响梁的刚度变化, 因此首先分析梁的高度变化与剪力墙内力变化的规律。以梁宽b=0.8m为例分别绘出当h=1.0、1.5 、2.0 、2.5m 时剪力墙的超限构件数量关系如图1
图1
根据图1可知, 梁的高度越大, 构件的总超限数越少, 各层的超限构件数目与总超限构件数目变化趋势一致。同时超限构件数目集中在转换层上( 第4 层) , 占总超限构件数目约50% 以上, 且转换梁的高度越大, 所占比例越大(h=2.5 、2.0 、1.5 、1.0 m 时分别为70%、53 % 、50 % 、48 % ) , 可见梁的高度越大,沿高度剪力墙内力变化越大, 反之亦然.但总的影响高度基本不变( 至第9 层) 。当梁的高度为lm 时, 超限构件数目明显增加( 本例从1.5m一1.0m , 超限构件数目增加1.5 倍;2.5~1.5m之间每级增加约20 % ),即当梁的高度太小时, 结构的受力状态明显变差, 设计时转换梁的高度不宜太小。
2 . 转换梁宽度对剪力墙超限构件数量的影响
以转换梁高度2.5m为例, 宽度为0.6 m 、0.7m、0.8m、0.9m时剪力墙的超限构件数目变化曲线见图2。结果表明当梁的高度一定时,梁的宽度变化对上部剪力墙内力变化有一定影响。梁的宽度越大, 靠近转换层的楼层超限构件数越少, 内力变化影响高度越大(b=0.9 m 时影响达到第9 层) ; 梁的宽度越小, 靠近转换层的楼层超限构件数越多, 内力变化影响高度越小(b=0.6 m 时影响达到第7 层) , 但超限构件总数基本不变。
3 .转换梁刚度对剪力墙超限构件数量的影响
以上分别讨论了转换梁高度和宽度对上部剪力墙内力的影響规律, 为了综合上述转换梁尺寸变化对上部结构内力的影响, 讨论转换梁的刚度变化对超限构件数目影响的变化规律具有一定意义。为了便于分析, 以0.6m×1.0m 的转换梁刚度为1.0 , 其余各梁的刚度取相对值, 其变化规律如图3所示。梁的刚度和超限构件数量变化曲线为一抛物线, 当梁的相对刚度小于10时,越限构件数量明显增加; 梁的相对刚度大于16 时, 构件超限数量增加很少, 因此在设计中应合理选用转换梁尺寸。
图2图3
4 .带转换层结构上部剪力.内力与普通框支剪力墙内力的比较
根据对电算结果的分析及与普通框支剪力墙内力分析的比较, 表明两者之间存在较明显的差别:
(l)转换梁的刚度对上部剪力墙内力的影响范围有明显作用, 而框支剪力墙上部内力的影响范围仅与框架的净跨Lo有关;
(2) 带转换层结构的上部剪力墙一般都开有洞口。且布置位置随建筑要求不同而不同, 故上部结构内力变化较为复杂, 有时局部出现异常(如本例第7 层) , 而一般框支剪力墙的内力变化符合弹性理论的分析结果;
(3) 带转换层结构的上部剪力墙内力变化规律数据具有一定的离散性, 而框支剪力墙的内力变化完全可按弹性理论的方法进行分析。
由以上几点可知, 带转换层结构的内力分析不能完全按框支剪力墙内力分析规律对整体结构进行分析, 其本身具有一定的特殊性和规律性。
四、结语
以上从结构总体的角度重点分析了带转换层建筑上部结构的超限构件变化规律, 详细的内力变化规律及下部结构的内力变化仍有待深入探讨。此外, 转换梁的高度可能会影响到建筑的层高, 因此设计中应综合考虑, 选择适当的构件尺寸使之既满足结构要求, 又获得较好的经济指标。