转换层大总结

高层建筑结构转换层上海理工大学环境与建筑学院1姓名：汪澜涯学号：132551672高层建筑结构转换层上海理工大学环境与建筑学院1概述2转换层结构形式3发展前景2①梁式②桁架(包括空腹桁架)③厚梁厚板④箱型结构①背景②定义③功能④特点①材料②受力性能上海理工大学环境与建筑学院近年来国内外高层建筑发展迅速，现代高层建筑越建越高，越建越大，其建筑向着体型复杂、功能多样的综合性方向发展，目的在于为人们提供良好的生活环境和工作条件。在同一座建筑中，沿房屋高度方向建筑功能发生变化，上部楼层布置旅馆、住宅；中部楼层作为办公用房；下部楼层作商店、餐馆和文化娱乐设施，这种不同用途的楼层需要采用不同的结构。从建筑功能上看，上部需要小开间的轴线布置和需要更多的墙体以满足旅馆和住宅的功能要求；中部则需要小的或中等大小的室内空间，可以在柱网中布置一定数量的墙体以满足办公用房的功能要求；下部需要尽可能大的自由灵活的室内空间，要求柱网大，墙体尽量少，以满足商店，餐馆等公用设施的功能要求。1概述1.1背景3上海理工大学环境与建筑学院从结构受力上看，由于高层建筑结构下部楼层受力很大，上部楼层受力较小，正常的结构布置应是下部刚度大，墙体多、柱网密，到上部渐渐减少墙柱数量，以扩大柱网。这样结构的正常布置与建筑功能对空间的要求正好相反.因此为满足建筑功能要求，结构必须进行“反常规设计”，即将上部布置小空间、下部布置大空间;上部布置刚度大的剪力墙，下部布置刚度小的框架柱。为了实现这种结构布置，就必须在结构转换的楼层设置水平转换构件，即转换层结构（TransferFloorStructure）.1概述1.2定义4上海理工大学环境与建筑学院(一)上、下层结构类型转换转换层将上部剪力墙转换为下部的框架。这种转换层多用于剪力墙和框架一剪力墙结构中，以获得较大的内部自由空间。(二)上、下层结构柱网和轴线的改变转换层上、下的结构形式未改变，通过转换层能使下部结构的柱距扩大，形成大柱网。这种形式常用于外框筒的下层以形成较大的出人口。(三)同时转换上、下层结构类型和柱网上部剪力墙结构通过转换层改变为框支剪力墙结构的同时，下部柱网与上部剪力墙的轴线错开，形成上、下柱网不对齐的布置。1概述1.3功能5上海理工大学环境与建筑学院竖向力的传递不连续。转换层上下容易产生刚度突变。变形复杂、传力不明确，尤其在复杂的转换层结构中，如：厚板转换层、梁式转换层、箱形大梁转换等等。转换层刚度、质量集中，造成地震效应突然增大。1概述1.4特点6上海理工大学环境与建筑学院2转换层主要形式2.1形式分类高层建筑转换结构一般可分为4种基本结构形式，即：①桁架(包括空腹桁架)②箱型结构③梁式(包括托梁和双向梁格)④厚梁厚板7上海理工大学环境与建筑学院2.2梁式转换层结构(1)梁式转换层形式实际工程中梁式转换层的应用形式多种多样。从跨数上,可分为单跨、双跨、多跨;从上部墙体布置上可分为满跨和不满跨、开洞和不开洞、开门洞和开窗洞;从转换功能上分为托墙和托柱;从转换构件材料上可分为钢筋混凝土、预应力钢筋混凝土、钢结构等。8上海理工大学环境与建筑学院2.2梁式转换层结构由于其传力途径采用墙(柱)→转换大梁→柱(墙)的形式，主要原理就是利用下部的转换大梁来支托上部结构，实现垂直转换最常用的结构形式。具有传力直接、明确，便于分析计算的特点。(2)梁式转换层结构受力机理分析表明,转换梁有与其承托的上部结构共同工作的特性,转换梁上部墙体开洞对其内力结果有较大的影响。对托墙型梁式转换层,共同工作的墙体层数与转换层的跨度有关；对托柱型转换层结构,要使共同工作显著,须防止过分增加大梁和支承柱的截面尺寸。9上海理工大学环境与建筑学院2.2梁式转换层结构(2)梁式转换层结构受力机理分析1)转换梁与上部结构整体弯曲变形。转换层与上部结构有共同工作的特点,对托墙情况,转换梁处于整体弯曲的受拉翼缘,若单独分析转换梁,其所受的弯矩由于剪力墙的共同作用而大大降低。同时,由于处于受拉翼缘,应力积分后转换梁中就会出现轴向拉力。这种整体弯曲会随着上部墙肢长度变短而影响范围迅速缩小,当上部墙体为小墙肢时,或对托柱型转换梁,这种影响只限于小墙肢或柱下较小的范围内。10上海理工大学环境与建筑学院2.2梁式转换层结构(2)梁式转换层结构受力机理分析2)转换梁上局部区域传力拱的作用。由于竖向传力拱作用的存在,使得上部墙体上如图5所示,的竖向荷载传到转换梁时,很大一部分荷载以斜向荷载的形式作用于梁上,若将这斜向荷载分解为垂直和水平等效荷载形式,则垂直荷载作用下的弯矩肯定要比不考虑墙体作用时要小,在水平分力作用下,就形成了转换梁跨中一定区域受轴向拉力而支座区域受轴向压力的现象。11上海理工大学环境与建筑学院2.2梁式转换层结构(3)转换层结构的设计原则高层建筑转换层的设计造成建筑物的刚度发生突变，在水平地震荷载作用下，转换层上下容易形成薄弱环节，因此在进行高层建筑转换层设计时，要考虑以下因素：1）尽可能减少需进行转换的竖向构件，减少转换结构的数量，控制结构的刚度发生突变；2）在满足建筑物使用要求的前提下，尽量降低转换层在建筑中的高度，提高建筑整体稳定性；3）选择具有明确传力路径的转换层结构形式，便于分析设计和施工实施；4）在满足建筑物安全和经济的前提下，设计的转换层刚度不宜太大。12上海理工大学环境与建筑学院2.2梁式转换层结构(4)转换梁结构设计方法目前结构设计工作中普遍采用的转换梁截面设计方法主要有普通梁法、偏心受拉法、深梁法、应力法四种方法。1）普通梁法：进行受弯构件承载力计算，采用梁杆系模型,根据结构整体计算得出的转换梁内力,按普通梁进行截面设计。但须采用高层建筑结构计算分析程序TAT、TBSA或TOWER等；2）偏心受拉法：按偏心受拉构件截面设计方法进行计算，但必须把有限元分析得到的转换大梁的内力转化为截面内力，然后进行正截面承载力和斜截面承载力计算。3）深梁法：按深梁截面进行设计，取转换大梁高跨比在1/8~1/6，此时要考虑转换大梁的跨度，一般转换大梁跨度大于12m时，要考虑上部墙体多于3层进行分析计算，否则计算结果偏不安全。4）应力法：利用高精度有限元法计算转换大梁截面沿高度方向的应力，假设所有拉力都由钢筋承担。13上海理工大学环境与建筑学院2.2梁式转换层结构(5)转换梁设计的注意点1）转换梁设计占高层建筑转换层设计的决大多数，在实际应用中，通常把转换层作为设备层来使用。因此，在转换梁设计中要考虑腹部开口相对大小和开口位置。2）要充分考虑转换梁与上部结构共同工作的程度，通常分为完全、部分和没有共同工作三种情况来分析，否则会造成梁的跨中弯矩和支座剪力与实际情况发生很大差异。3）尽量避免转换层与下部结构竖向刚度产生突变，对下部结构在满足建筑物使用功能要求的基础上，应提高下部结构的截面尺寸，增加剪力墙、提高混凝土的强度等级，一般转换层混凝土强度等级应不低于C30。4）设计时要充分考虑施工的可操作性和满足建筑外观的要求14上海理工大学环境与建筑学院2.3桁架式转换结构虽然梁式转换层结构是目前实现垂直转换的最常用的结构形式，但在托柱形式的梁式转换层中,存在以下缺点：①当转换梁跨度很大,且承托层数较多时,由转换梁承托上部框架柱传递下来的竖向荷载会很大,致使转换梁的界面尺寸过大。②采用转换梁也不利于大型管道等设备系统的布置,不利于该转换层建筑空间的充分利用。此时若根据上下柱网的轴线位置设置采用桁架转换层则可巧妙的解决此问题。桁架式转换结构是由梁式结构转换层变化而来的，整个转换层由多榀桁架组成承重结构，桁架的上下弦杆分别设在转换层的上下楼面的结构层内，层间设有腹杆。15上海理工大学环境与建筑学院2.3桁架式转换结构(1)桁架式转换层结构形式②空腹桁架：由上弦杆、下弦杆及直腹杆组成。①斜腹桁架：由上弦杆、下弦杆及斜腹杆组成。空腹桁架转换结构的杆件都是水平、垂直的。因此，空腹桁架转换结构在室内空间利用上比斜腹桁架转换结构构优良。16上海理工大学环境与建筑学院2.3空腹桁架式转换结构(1)空腹桁架式特点因以弯曲变形为主,兼有桁架的受力特性（即除承受弯矩和剪力外,还承受轴力）。在荷载作用下,空腹桁架受力均匀、传力明确、结构合理和经济性良好;而且其抗侧刚度较好,有较大的耗能能力,抗震性能好.①转换结构承受的荷载通常较大对于带有转换结构的多、高层建筑来说,转换结构大多是低位转换,其上部楼层较多,因此其承担上部结构传来竖向荷载通常都很巨大;对于悬挂式转换结构来说其要悬挂下部多层荷载.故转换结构构件中的内力很大,且竖向荷载成为在转换结构设计时应重点考虑的主要因素.17上海理工大学环境与建筑学院2.3空腹桁架式转换结构(1)空腹桁架式特点②转换结构的跨度通常较大转换结构的跨度通常远大于其上部结构,其在竖向荷载作用下将产生较大的挠度和变形,因此,转换结构的竖向挠度应成为设计时严格控制的目标.③转换结构构件和节点的受力较为复杂转换结构构件大多处于弯矩、剪力和轴力共同作用之下,构件和节点的受力状态甚为复杂.④沿建筑物高度方向上的刚度通常在转换层结构处发生改变,其传力途径发生较大的变化,在设计时应采用反常规的方法进行分析和设计.⑤转换结构的施工较为复杂,难度较大18上海理工大学环境与建筑学院2.3空腹桁架式转换结构(2)空腹桁架主要结构型式目前国内实际工程中应用的空腹桁架转换结构型式主要有:等节间空腹桁架、不等节间空腹桁架、混合空腹桁架、叠层空腹桁架等。根据使用材料的不同,空腹桁架可分为:钢筋混凝土空腹桁架、预应力混凝土空腹桁架和钢结构空腹桁架等.19上海理工大学环境与建筑学院2.3空腹桁架式转换结构(3)空腹桁架的受力性能分析同济大学的张誉、赵鸣等结合上海兴联大厦工程对空腹桁架转换层结构进行了试验研究。研究分析,表明空腹桁架有着良好的受力性能,预应力空腹桁架则具有良好的延性。20①空腹桁架的弦杆除承受弯矩和剪力外还承受较大的轴力作用上海理工大学环境与建筑学院2.3空腹桁架式转换结构(3)空腹桁架的受力性能分析②空腹桁架的竖向腹杆中,边跨端支座附近腹杆剪力较大,其余腹杆剪力较小;21③杆件节点当采用刚性连接时,杆件节点承受较大的弯矩和剪力。上海理工大学环境与建筑学院2.3空腹桁架式转换结构(4)空腹桁架转换结构的设计原则22空腹桁架转换结构的设计应遵守下列原则:①整体结构按“强化转换层及其下部结构、弱化转换层上部结构”的原则,以保证转换结构及其下部大空间结构有良好的强度、刚度、延性和抗震性能;②转换结构上部的结构按“强柱弱梁、强边柱弱中柱”的原则,以使塑性铰优先在梁端产生,确保柱有较高的安全储备;③转换结构按“强边腹杆、强节点”的原则,使边腹杆和节点具有较高承载能力,以充分发挥弦杆的承载能力和变形能力;④各构件按“强剪弱弯”的原则,以使构件发生延性较好的受弯破坏,避免发生延性较差的剪切破坏.上海理工大学环境与建筑学院2.4厚板厚梁式转换结构(1)厚板厚梁式转换结构23厚板式转换层在解决建筑功能与建筑结构的矛盾方面有其自身的优势，它可以使高层建筑在转换层上下的墙、柱轴线不受任何限制，因而可以合理的布置构件，改善整体结构的受力情况。它特别适用于体型复杂、功能繁多的结构，能够更为灵活的实现建筑物的功能，真正体现高层建筑的优势，这是其他形式的转换层结构所不能比拟的。上海理工大学环境与建筑学院2.4厚板厚梁式转换结构(2)厚板转换层设计方法24①交叉梁系法：先将厚板划分为等效的交叉梁系参与整体分析，求得厚板的底面或顶面的墙和柱的内力并作为施加在其上的荷载，然后对厚板自身重新进行计算，得出其内力后按杆件结构进行承载力计算；或先以厚板转换层为假象的基础，对其上部结构进行内力分析，再将计算得到的其上部“底层”构件的内力作为荷载作用于厚板，分析其内力，最后仍将厚板以等效交叉梁系代替，进行整体结构的分析。方法特点：均以等效的交叉梁系代替-但厚板的受力状况非常复杂，以简单的受弯构件来代替是不够精确的。上海理工大学环境与建筑学院2.4厚板厚梁式转换结构(2)厚板转换层设计方法25②将厚板转换