CN110306672A - 一种多层大空间建筑结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

一种多层大空间建筑结构及其设计方法，该多层大空间建筑结构，适用于对绝对跨度需求不高的多层大空间建筑，包括复合的建筑结构主体，所述建筑结构主体包括：墙体，所述墙体为混凝土侧向受力平衡墙体，用于提供竖向建筑空间的同时承受所述建筑结构主体的水平力；多层无梁楼板，位于所述墙体之间且与所述墙体连接，每层所述无梁楼板内均设置有用于传递水平荷载的钢筋；以及多个支撑柱，每个所述支撑柱均为自由分布型摇摆柱，用于承担垂直方向的竖向力，每个所述支撑柱的两端分别与所述无梁楼板铰接。本发明还提供了该多层大空间建筑结构的设计方法。本发明提高了空间的使用效率，减小了对空间通透性的视觉影响，解决了建筑的水平受力问题。

Description

一种多层大空间建筑结构及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种建筑结构及设计方法，特别是一种多层大空间建筑结构及其设计方法。

背景技术

对于多层大空间建筑来说，现有技术一般采用无柱大跨结构和梁柱框架结构。采用无柱大跨结构需要较大的结构梁高度，特别在多层建筑中，空间使用效率不高；采用梁柱框架结构则受制于规则的柱网，建筑可选择的空间模式有限，在柱子抗侧力的要求下，柱子的尺寸也会对空间通透效果形成制约。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的上述缺陷，提供一种多层大空间建筑结构及其设计方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种多层大空间建筑结构，适用于对绝对跨度需求不高的多层大空间建筑，其中，包括复合的建筑结构主体，所述建筑结构主体包括：

墙体，所述墙体为混凝土侧向受力平衡墙体，用于提供竖向建筑空间的同时承受所述建筑结构主体的水平力；

多层无梁楼板，位于所述墙体之间且与所述墙体连接，每层所述无梁楼板内均设置有用于传递水平荷载的钢筋；以及

多个支撑柱，每个所述支撑柱均为自由分布型摇摆柱，用于承担垂直方向的竖向力，每个所述支撑柱的两端分别与所述无梁楼板铰接。

为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种多层大空间建筑结构的设计方法，其中，包括如下步骤：

S100、根据建筑功能要求，结构地震烈度及层数，确定建筑结构主体，所述建筑结构主体包括用于提供竖向建筑空间并承受水平力的墙体、用于承担竖向力的支撑柱和设置于所述墙体之间且与所述支撑柱铰接的无梁楼板；

S200、通过结构计算软件模拟仿真计算所述建筑结构主体的结构参数，所述支撑柱采用杆单元模拟，所述墙体及无梁楼板采用壳单元模拟；

S300、分析判断步骤S200的计算结果，且满足所述建筑结构主体的整体结构弹性层间位移角限值小于1/800，所述支撑柱的轴压比为0.5-1.0，所述墙体的抗震截面验算满足SR/γRE，所述无梁楼板的混凝土拉应力小于等于零。

上述的多层大空间建筑结构的设计方法，其中，步骤S200进一步包括：

S201、在所述建筑结构主体上添加荷载及约束条件，所述荷载根据建筑功能按照建筑结构荷载规范取用；所述支撑柱的上下端与所述无梁楼板的约束条件设置为铰接，所述墙体与所述无梁楼板的约束条件设置为刚接；

S202、进行有限元模拟数值分析计算，所述建筑结构主体结构形式按照建筑抗震设计规范规定确定为框架剪力墙结构体系，计算获得所述建筑结构主体结构的结构参数。

上述的多层大空间建筑结构的设计方法，其中，还包括如下步骤：

S400、绘制建筑结构配筋文件，其中，所述墙体的配筋符合建筑抗震设计规范的规定，所述无梁楼板的配筋根据计算结果及建筑抗震设计规范的要求配筋率增加0.05。

上述的多层大空间建筑结构的设计方法，其中，所述支撑柱根据建筑空间的需要自由布局，所述支撑柱的长细比小于等于150，所述支撑柱的轴压比为0.8。

上述的多层大空间建筑结构的设计方法，其中，所述无梁楼板设计为整体刚性传力系统，并对楼盖的水平传力路径进行系统设计，确保所述无梁楼板在中大震下的整体性和传力可靠性。

上述的多层大空间建筑结构的设计方法，其中，所述墙体的厚度为200-700毫米，所述墙体内设置型钢暗柱和钢骨暗梁，并按照中震不屈服性能目标设计保证所述墙体的抗侧力在中大震下的抗震延性性能。

上述的多层大空间建筑结构的设计方法，其中，所述支撑柱为混凝土结构，所述支撑柱与所述无梁楼板的铰接点为混凝土铰接，所述混凝土铰接包括多个纵向受力钢筋和柱箍筋，多个所述纵向受力钢筋以铰接点为中心交叉设置，所述纵向受力钢筋的一端与所述支撑柱的配筋连接，所述纵向受力钢筋的另一端与所述无梁楼板的抗冲切钢板连接，所述柱箍筋平行设置在所述铰接点以下的所述纵向受力钢筋之间，所述铰接点距所述支撑柱的距离为所述支撑柱的直径的一半。

上述的多层大空间建筑结构的设计方法，其中，所述支撑柱为钢柱，所述支撑柱与所述无梁楼板的铰接点为钢铰接，所述钢铰接包括外关节、球形节和连接部，所述外关节设置在所述无梁楼板内，所述球形节安装在所述外关节内，所述球形节上设置有用于与所述支撑柱连接的连接部，所述连接部的高度等于所述支撑柱的直径的一半。

上述的多层大空间建筑结构的设计方法，其中，所述建筑结构主体的楼电梯间的墙体设置为筒形结构。

本发明的技术效果在于：

在多层大空间建筑中，本发明采用“自由分布型摇摆柱+混凝土侧向受力平衡墙体”的复合适应性多层大空间建筑结构体系比现有技术大跨体系的结构高度显著降低，提高了空间的使用效率；相比现有技术的梁柱框架结构，可以根据空间的需要实现相对自由的摇摆柱布局，摇摆柱超大的长细比减小了对空间通透性的视觉影响。混凝土墙体提供竖向建筑空间的同时解决了建筑的水平受力问题，自由细柱解决重力问题的同时给建筑的灵活布局带来可能，两种不同体系的复合具有结构的合理性，给建筑模式的创新提供了体系保障，具有重要的现实价值。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明一实施例的建筑结构主体示意图；

图2为本发明一实施例的混凝土铰接示意图；

图3为本发明一实施例的钢铰接示意图。

其中，附图标记

1 墙体

2 无梁楼板

3 支撑柱

4 铰接点

5 地基

6 抗冲切钢板

7 纵向受力钢筋

8 柱箍筋

9 外关节

10 球形节

11 连接部

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：

参见图1，图1为本发明一实施例的建筑结构主体示意图。本发明的多层大空间建筑结构，适用于对绝对跨度需求不高的多层大空间建筑，为自由分布型摇摆支撑柱3和混凝土侧向受力平衡墙体1复合的适应性建筑结构主体，所述建筑结构主体建筑在地基5上，包括：墙体1，所述墙体1为混凝土侧向受力平衡墙体，用于提供竖向建筑空间的同时承受所述建筑结构主体的水平力；多层无梁楼板2，位于所述墙体1之间且与所述墙体1连接，每层所述无梁楼板2内均设置有用于传递水平荷载的钢筋；以及多个支撑柱3，每个所述支撑柱3均为自由分布型摇摆柱，用于承担垂直方向的竖向力，每个所述支撑柱3的两端分别与所述无梁楼板2铰接。

该多层大空间建筑结构的设计方法，通过软件模拟仿真计算，建立符合实际项目的三维模型并进行荷载及约束条件模拟；进行有限元模拟数值分析后对结构现行规范限制对比确定工程的可行性验证。保证整体结构的侧移为1/1000以下时，判定结构为无侧移结构，支撑柱3按欧拉公式进行稳定分析。并保证无梁楼板2的有效传力，控制指标主要保证无梁楼板2不受拉力。该设计方法可具体包括如下步骤：

步骤S100、根据建筑功能要求，结构地震烈度及层数，确定建筑结构主体，选用“自由分布型摇摆柱+混凝土侧向剪力墙”的多层大空间建筑结构体系，所述建筑结构主体包括用于提供竖向建筑空间并承受水平力的墙体1、用于承担竖向力的支撑柱3和设置于所述墙体1之间且与所述支撑柱3铰接的无梁楼板2；

步骤S200、通过结构计算软件模拟仿真计算所述建筑结构主体的结构参数，该计算软件只要有有限元分析模块的均可，所述支撑柱3采用杆单元模拟，所述墙体1及无梁楼板2采用壳单元模拟，即建立结构的三维实体模型，再将支撑柱3定义为杆单元，墙体1定义为壳单元；所述支撑柱3根据建筑空间的需要可自由布局，所述支撑柱3的长细比小于等于150，所述墙体1的厚度可根据建筑层高等参数在200-700毫米范围内选择，所述墙体1内设置至少双层双向的钢筋配筋，可以将所述建筑结构主体的楼电梯间的墙体1设置为筒形结构；

步骤S300、分析判断步骤S200的计算结果，且满足所述建筑结构主体的整体结构弹性层间位移角限值小于1/800，所述支撑柱3的轴压比为0.5-1.0，控制在1.0以下，优选为0.8，所述墙体1的抗震截面验算满足SR/γRE，所述无梁楼板2的混凝土拉应力应保证小于等于零。其他构件分析计算结果应保证在国家现行规范要求以内。

其中，步骤S200进一步包括：

步骤S201、在所述建筑结构主体上添加荷载及约束条件，所述荷载根据建筑功能按照《建筑结构荷载规范》取用；所述支撑柱3的上端和下端与所述无梁楼板2的约束条件分别设置为铰接，所述墙体1与所述无梁楼板2的约束条件设置为刚接；

步骤S202、进行有限元模拟数值分析计算，所述建筑结构主体结构形式按照《建筑抗震设计规范规定》(GB50011-2010(2016年版))规定确定为框架剪力墙结构体系，软件自行按照规范条文进行计算获得所述建筑结构主体结构的结构参数。

本实施例中，还可包括如下步骤：

步骤S400、绘制建筑结构配筋文件，其中，所述墙体1的剪力墙配筋应符合《建筑抗震设计规范的规定》(GB50011-2010(2016年版))，所述无梁楼板2的配筋根据计算结果及建筑抗震设计规范的要求配筋率增加0.05。

本发明采用“自由分布型摇摆柱+混凝土侧向受力平衡墙体1”的多层大空间建筑结构体系，源于多层大空间建筑结构选型的空间限制。该建筑体系中的支撑柱3以自由随机的状态布置，由于其纤细的柱截面不能承担足够的抗侧刚度，在体系中被设计为仅承担竖向力的摇摆柱。由于支撑柱3不用承担任何水平力，其长细比可以远远超过普通结构中的柱子。随机布置的支撑柱3一方面可以针对不同的需要形成适应性的布置方案，另一方面大空间的通透性得到了保证，塑造了具有创新性的建筑空间意向。

本实施例的混凝土侧向受力平衡的墙体1形成的空间可以为该建筑体系中提供垂直交通、管井的竖向构件。作为复合结构整体的组成部分，混凝土墙体1成为主要的抗侧力体系。混凝土墙体1内部可设置型钢暗柱及钢骨暗梁，并按中震不屈服性能目标设计保证抗侧力体系在中大震下的抗震延性性能，为整体结构提供足够的抗侧能力并保证纤细柱成为无侧移重力柱。为保证混凝土墙体1对所有支撑柱3的有效侧向支撑，无梁楼板2设计为整体刚性传力系统，对楼盖的水平传力路径进行系统设计，确保结构在中大震下的整体性和传力可靠性。所述墙体1宜布置为筒体结构，承担全部结构的水平向荷载(地震荷载+风荷载)。根据建筑的高度墙体1可取200-700毫米厚度，优选为300-400毫米，所述墙体内设置至少双层双向的钢筋配筋，墙体钢筋配置应执行国家现行相关规范要求，顶底端结构无需进行处理，为常规的剪力墙结构体系构造。所述建筑结构主体的楼电梯间的墙体优选为筒形结构。

本发明支撑柱3作为分布式摇摆柱的布置方式根据竖向(恒荷载+活荷载)荷载的大小及建筑使用空间确定，设计时轴压比可取0.5-1.0，最佳值为0.8。长细比控制在150以下，不承担整体结构的水平荷载(地震荷载+风荷载)。混凝土侧向剪力墙，优选布置为筒体结构。承担全部结构的水平向荷载(地震荷载+风荷载)。根据建筑的高度墙体1可取200-400毫米厚度，墙体1的钢筋配置应执行国家现行相关规范要求，至少双层双向配筋，顶底端结构无需进行处理，为常规的剪力墙结构体系构造。无梁楼板2结构为正常楼板，可配置双层双向钢筋，起到传递水平荷载的作用，并控制楼板混凝土的拉应力小于零。

参见图2，图2为本发明一实施例的混凝土铰接示意图。本实施例的所述支撑柱3为混凝土结构柱，所述支撑柱3与所述无梁楼板2的铰接点4为混凝土铰接，所述混凝土铰接包括多个纵向受力钢筋7和柱箍筋8，多个所述纵向受力钢筋7以铰接点4为中心交叉设置，所述纵向受力钢筋7的一端与所述支撑柱3的配筋连接，所述纵向受力钢筋7的另一端与所述无梁楼板2的抗冲切钢板6连接，所述柱箍筋8平行设置在所述铰接点4以下的所述纵向受力钢筋7之间，所述柱箍筋8之间的间距优选为50mm，优选所述铰接点4距所述支撑柱3的连接距离为所述支撑柱3的直径的一半。施工时，可如图2所示固定好钢筋位置，保证钢筋不位移及偏位。上、下端铰接点4的钢筋保证锚固于混凝土楼板，满足受拉长度LA；然后进行混凝土浇筑，混凝土标号不得低于C30；重复上述步骤直至完成全部支撑柱3与无梁楼板2的铰接连接。该结构在地震作用时，由于混凝土支撑柱3与无梁楼板2上、下铰接的节点转动，会有变形裂缝，地震后应及时修复。

参见图3，图3为本发明一实施例的钢铰接示意图。本实施例的所述支撑柱3为钢结构柱，所述支撑柱3与所述无梁楼板2的铰接点4为钢铰接，所述钢铰接包括外关节9、球形节10和连接部11，所述外关节9设置在所述无梁楼板2内，所述球形节10安装在所述外关节9内，所述球形节10上设置有用于与所述支撑柱3连接的连接部11，所述连接部11的高度等于所述支撑柱3的直径的一半。施工时，可先加工钢结构支撑柱3，加工钢结构柱端的球形节10，加工球形节10的外关节9，球形节10与外关节9的间隙距离应保证1mm；外关节9可采用左右扣合的两段式安装，球形节10及外关节9应预装；支撑柱3的上下两端分别与对应的球形节10的连接部11现场定位安装后，进行浇筑混凝土无梁楼板2的施工。该连接部11优选为变截面结构，其顶部与球形节10连接，其底部直径与支撑柱3的直径相等，与支撑柱3的端部现场焊接，可保证支撑柱3与无梁楼板2的连接点为铰接连接形式，地震作用时可以保证支撑柱3不吸收水平力，保证支撑柱3连接节点的转动，不抵抗弯矩。

本发明自由分布型摇摆支撑柱3+混凝土侧向受力平衡墙体1的结构，适用于对绝对跨度需求不高的多层大空间建筑，可以根据空间的需要实现相对自由的柱子布局，柱子超高的长细比减小了对空间通透性的视觉影响。建筑中所有柱均为上下端铰接的摇摆柱，摇摆柱与楼板之间不设梁，保证建筑平整的建筑外观的同时减少建筑净高。同时可充分利用楼电梯间核心筒剪力墙结构，即墙体1的部分尽量布置在楼电梯间，其他的地方留给建筑功能，可有效提高建筑的利用效率；在楼电梯间侧向墙设置为筒形结构时，还可增加抗侧刚度。

本发明通过自由细摇摆柱承担竖向力，混凝土墙体承担水平力的两分受力模型，一方面避免了大跨建筑大尺度的结构高度，另一方面以自由细柱根据建筑需要形成适应性的空间模式，其超大的长细比也使空间更加通透，有效解决了多层大空间大跨建筑中结构高度大，空间使用效率低的问题；另外，本发明克服了多层大空间框架建筑中柱子在抗侧力要求下柱子截面受限，空间通透性不足的问题；以及多层大空间框架建筑中柱网规则化布置，空间模式有限的问题。混凝土墙体在提供竖向建筑空间的同时解决了建筑的水平受力问题，自由细柱解决重力问题的同时给建筑的灵活布局带来可能，两种不同体系的复合既具有结构的合理性，给建筑模式的创新提供了体系保障，对于建筑的空间创新具有重要的现实价值。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种多层大空间建筑结构，适用于对绝对跨度需求不高的多层大空间建筑，其特征在于，包括复合的建筑结构主体，所述建筑结构主体包括：

墙体，所述墙体为混凝土侧向受力平衡墙体，用于提供竖向建筑空间的同时承受所述建筑结构主体的水平力；

多层无梁楼板，位于所述墙体之间且与所述墙体连接，每层所述无梁楼板内均设置有用于传递水平荷载的钢筋；以及

多个支撑柱，每个所述支撑柱均为自由分布型摇摆柱，用于承担垂直方向的竖向力，每个所述支撑柱的两端分别与所述无梁楼板铰接。

2.一种多层大空间建筑结构的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

S100、根据建筑功能要求，结构地震烈度及层数，确定建筑结构主体，所述建筑结构主体包括用于提供竖向建筑空间并承受水平力的墙体、用于承担竖向力的支撑柱和设置于所述墙体之间且与所述支撑柱铰接的无梁楼板；

S200、通过结构计算软件模拟仿真计算所述建筑结构主体的结构参数，所述支撑柱采用杆单元模拟，所述墙体及无梁楼板采用壳单元模拟；

S300、分析判断步骤S200的计算结果，且满足所述建筑结构主体的整体结构弹性层间位移角限值小于1/800，所述支撑柱的轴压比为0.5-1.0，所述墙体的抗震截面验算满足SR/γRE，所述无梁楼板的混凝土拉应力小于等于零。

3.如权利要求2所述的多层大空间建筑结构的设计方法，其特征在于，步骤S200进一步包括：

S201、在所述建筑结构主体上添加荷载及约束条件，所述荷载根据建筑功能按照建筑结构荷载规范取用；所述支撑柱的上下端与所述无梁楼板的约束条件设置为铰接，所述墙体与所述无梁楼板的约束条件设置为刚接；

S202、进行有限元模拟数值分析计算，所述建筑结构主体结构形式按照建筑抗震设计规范规定确定为框架剪力墙结构体系，计算获得所述建筑结构主体结构的结构参数。

4.如权利要求2或3所述的多层大空间建筑结构的设计方法，其特征在于，还包括如下步骤：

S400、绘制建筑结构配筋文件，其中，所述墙体的配筋符合建筑抗震设计规范的规定，所述无梁楼板的配筋根据计算结果及建筑抗震设计规范的要求配筋率增加0.05。

5.如权利要求4所述的多层大空间建筑结构的设计方法，其特征在于，所述支撑柱根据建筑空间的需要自由布局，所述支撑柱的长细比小于等于150，所述支撑柱的轴压比为0.8。

6.如权利要求5所述的多层大空间建筑结构的设计方法，其特征在于，所述无梁楼板设计为整体刚性传力系统，并对楼盖的水平传力路径进行系统设计，确保所述无梁楼板在中大震下的整体性和传力可靠性。

7.如权利要求2、3、5或6所述的多层大空间建筑结构的设计方法，其特征在于，所述墙体的厚度为200-700毫米，所述墙体内设置型钢暗柱和钢骨暗梁，并按照中震不屈服性能目标设计保证所述墙体的抗侧力在中大震下的抗震延性性能。

8.如权利要求2、3、5或6所述的多层大空间建筑结构的设计方法，其特征在于，所述支撑柱为混凝土结构，所述支撑柱与所述无梁楼板的铰接点为混凝土铰接，所述混凝土铰接包括多个纵向受力钢筋和柱箍筋，多个所述纵向受力钢筋以铰接点为中心交叉设置，所述纵向受力钢筋的一端与所述支撑柱的配筋连接，所述纵向受力钢筋的另一端与所述无梁楼板的抗冲切钢板连接，所述柱箍筋平行设置在所述铰接点以下的所述纵向受力钢筋之间，所述铰接点距所述支撑柱的距离为所述支撑柱的直径的一半。

9.如权利要求2、3、5或6所述的多层大空间建筑结构的设计方法，其特征在于，所述支撑柱为钢柱，所述支撑柱与所述无梁楼板的铰接点为钢铰接，所述钢铰接包括外关节、球形节和连接部，所述外关节设置在所述无梁楼板内，所述球形节安装在所述外关节内，所述球形节上设置有用于与所述支撑柱连接的连接部，所述连接部的高度等于所述支撑柱的直径的一半。

10.如权利要求2、3、5或6所述的多层大空间建筑结构的设计方法，其特征在于，所述建筑结构主体的楼电梯间的墙体设置为筒形结构。