浅谈高层建筑转角窗结构设计

2022-09-11

建筑物角部是结构的关键性部位, 一般均设置“L”形剪力墙, 这种情况下角部构件内力较大, 程度不同地都显示出剪力滞后、应力集中、受力复杂等现象。若设置转角窗, 就是在角部墙体上开洞, 实际上是取消了角部的墙体, 代之以角部交叉连梁, 这将使角部附近的构件受力更加复杂对结构抗震更加不利。

1 转角窗对结构整体的影响

转角窗对结构整体效应影响较大, 与不设转角窗的剪力墙相比, 结构的抗侧力刚度、自振周期、地震作用等均有不同程度的差异。楼板在角窗转角部位无竖向构件 (如柱或墙肢) 的可靠约束, 只有转角窗上交叉连梁的横向约束, 对角部楼板约束较弱。当结构的质心和刚心稍有偏差, 楼板因水平力偏心受扭时, 角窗转角部位的楼板扭转应力集中, 变形会很大, 严重时会挤坏脱落。另外角部墙肢由于远离刚心, 在两个方向都具有较大的抗扭刚度, 对调整整个结构的设计指标起到很大的作用。若取消角部的墙体, 很容易造成对结构抗震性能的削弱, 特别是对结构扭转刚度的影响很大, 极易造成“扭转不规则”的平面类型:即楼层的最大弹性水平位移 (或层间位移) 大于该楼层两端弹性水平位移 (或层间位移) 平均值的1.2倍。对A级高度的高层住宅结构, 规范规定上述位移比不应超过1.5。在周期比方面, 规范规定T t/T I A级高度高层建筑不应大于0.9, B级高度建筑不应大于0.8 5。如果结构不满足上述两个指标要求, 应采取有效措施增强结构扭转刚度。一般来说, 洞口附近应避免采用短肢剪力墙和单片剪力墙, 宜采用“T”、“L”型等截面形状的墙体, 且墙厚宜适当加大, 角窗洞边的暗柱宜按约束边缘构件设计, 其截面尺寸宜适当加大, 配筋宜适当加强。设角窗的剪力墙结构, 其外墙内力明显增大。开洞的角部各构件扭转效应明显, 特别是洞口处的连梁, 需配置抗扭钢筋。对角部墙体开洞的剪力墙结构, 开洞连梁的跨度及截面高度的大小对邻近构件内力的影响也不容忽视, 应注意调整开洞连梁的跨高比, 使设计尽可能合理。

2 转角窗上过梁的设计方法及构造措施

结构分析一般采用目前国内流行的建科院编制的T A T, S A T W E计算软件, 对不落地窗结构, 如按普通剪力墙开洞方法:即先在平面周边布墙, 然后在拐角处开洞, 将过梁按连梁对待, 这种方法看起来似乎严格按实际情况输入程序进行计算, 但由于程序本身的缺陷, 使拐角处自动产生一个小于1 5 0 m m的短肢剪力墙, 平面模型上反映不出来, 要观察立面模型才可以发现, 容易疏忽。这个小墙肢作为角窗挑梁自由端一个支点。这与实际情况不符, 加上由于该构件太小, 是一个超筋构件。结构一受力, 即产生破坏给整体计算带来混乱, 因而是不可取的。所以对转角窗上连梁应按普通框架梁考虑, 梁高按实际输入。在对转角梁进行电算时, 转角梁的负弯矩调幅系数、扭矩折减系数均应取1.0, 不能有折减系数。角窗过梁的计算简图, 可取一端简支, 一端固定。但严格来讲, 过梁设计要依据电算结果再做适当调整, 才可用于实际工程, 这就需要电算和手算相结合。以电算为参考, 用手算复核, 手算时考虑到地震作用下过梁的简支端的简支作用可能失效, 因此, 固端弯矩可取1/2 q I 2。同理, 跨中弯矩是查计算表按9/1 2 8 q I 2弹性计算习惯上也近似取1/1 1 q I 2这不是简单的简化, 而是过梁在实际工作时内部可能存在调幅, 致使固端弯矩有部分向跨中转移, 从而加大了跨中弯矩。同时, 适当加强梁底配筋, 可有效防止挠度过大的超限。一般构造上不应小于2 2 0。其次, 还有一个必须注意的问题是:设置了转角窗后, 对结构角部承载能力做了较大的削弱, 过梁不但承受墙、窗的竖向荷载, 还要肩负另一重任: (l) 承受垂直方向过梁对本梁产生的扭矩; (2) 抵抗因结构平面周边扭转应力对过梁产生的侧向弯矩; (3) 抵抗因室内外温差引起的侧向温度应力产生的弯拒。因此, 过梁两侧配置足够的构造腰筋是相当必要的。一般钢筋直径同墙体水平筋, 构造钢筋配筋量按下式计算:As=0.2bhw (式中b h w为梁的截面宽度与腹板高度) 。

转角梁不同于一般梁, 也不同于剪力墙之间的连梁, 它是一根整体折梁。当转角两端梁长相等时, 该梁具有较多的悬臂梁工作性质, 当梁长相差较大时, 较短梁的梁端将在一定程度上对较长梁起着弹性支承的作用。在配筋方面, 梁的主要钢筋最小值 (上部纵向受力钢筋) 不宜按一般梁考虑 (取0.2和45ft/fy中的较大值) , 而宜根据不同的抗震等级及混凝强度等级参考框架梁支座配筋率确定。转角梁上筋宜为一根带9 0度弯角的L形钢筋, 两端锚入墙内长度L a E如在相交点处断开由两根钢筋连接组成, 则宜采用机械连接或焊接连接。

3 与转角窗相连剪力墙暗柱的设计方法及构造措施

转角窗相连处的剪力墙, 其墙肢内端暗柱在首层柱根部弯矩会很大, 这是由于挑梁根部弯矩层层叠加下传至首层暗柱根部时累计的结果。此时, 暗柱长度不能再按1.5—2倍墙厚取值。可以把角窗处的墙肢假象为普通柱。为了抵抗很大的根部弯矩, 必须把柱内受拉钢筋配置在较大范围之内。这个范围就是此时剪力墙墙肢内暗柱的长度范围, 一般构造上取6 0 0 m m。

另外, 如果与角窗相连的墙肢宽度过短时, 可能会出现抗弯不足的情况, 此时应该通过增加墙厚, 加大不利墙肢断面的办法, 加强墙肢的抗弯能力。

4 转角窗处板内暗拉梁的设计方法及构造措施

转角窗处楼板处于房屋外角边缘, 其外角边界是由梁支承而不是墙支承, 且扭转刚度较差。故在墙肢端点处宜设置与楼板等厚度的暗梁, 梁宽0.5—1.0 m。暗梁的配筋宜上下相同, 配筋率不宜低于0.2和45ft/fy中的较大值, 并宜配置箍筋, 宜不小于6—18@200—250mm, 如楼板厚度不够1 5 0 m m, 没有条件在板内设置暗梁时, 应沿斜向配置6 6 (6 0 0宽范围内) 下部钢筋, 均锚入角窗相连墙端暗柱内, 近似等代拉梁。转角窗处楼板厚度应按房间四边尺寸大小经计算确定, 宜适当加厚 (在1 4 0—150mm之间) 。楼板配筋也应适当加强, 宜采用双层双向12@150—14@150, 并宜直通伸人相邻房间板内适当长度, 板的配筋率不宜小于0.25%~0.3%。

摘要：随着房地产市场的蓬勃发展, 市场竞争的加剧, 设计院为了迎合甲方及市场的需求, 设计出大量立面造型新颖独特的高层建筑, 其中转角窗以它室内可视角度开阔, 室外立面造型丰富的优点, 在建筑设计中广为采用, 满足了建筑立面和业主使用功能的要求, 但对结构设计带来了难题。在层数较多的高层建筑, 转角窗的结构设计问题尤其值得注意。本文研究了转角窗结构设计的方法及构造措施, 以期为后续研究提供参考。

关键词：转角窗,结构,设计