厚板轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初探

周定武

上海建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司廈門分院（361000）

厚板轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初探

周定武

上海建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司廈門分院（361000）

以某工程為例，概述了工程及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要依據(jù)，在此基礎(chǔ)上對厚板轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步計(jì)算，從而得出具體的結(jié)論及建議。

厚板轉(zhuǎn)換層；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0 引言

近年來建筑工程發(fā)展快速，工程的審核也更加嚴(yán)謹(jǐn)。設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)更加注重建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。這里針對筆者負(fù)責(zé)的廈門英皇湖畔花苑工程項(xiàng)目，分析了厚板轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算，以保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)科學(xué)合理，提高建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

1 工程概述

工程的施工地點(diǎn)為福建省廈門市湖濱北路與長青路交叉口的東北角，原建筑為高層建筑群。要進(jìn)行施工的建筑群屬于塔樓建筑，整體由地下室與上部建筑兩部分構(gòu)成，這兩部分的樓層數(shù)分別為2層與30層。設(shè)計(jì)前期調(diào)查表明該塔樓的地下室及1#、2#塔樓已經(jīng)于1995年12月完成施工。本次設(shè)計(jì)對3#、4#、5#樓原設(shè)計(jì)戶型進(jìn)行了較大幅度的修改.通過不斷的結(jié)構(gòu)試算，對基礎(chǔ)及地下室結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，確定了上部各塔樓能建設(shè)的層數(shù)，擬訂了建筑方案。經(jīng)過對結(jié)構(gòu)方案的比對論證，本項(xiàng)目確定采用多塔帶厚板轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)型式，結(jié)構(gòu)體系由下部框剪結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成上部剪力墻結(jié)構(gòu)，且上部建筑接近一半剪力墻需要在三層樓面處轉(zhuǎn)換。多墻帶厚板轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)屬于復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)，超出規(guī)范要求，需要進(jìn)行專項(xiàng)審查。原設(shè)計(jì)3#、4#、5#樓下部一、二層相連形成大底盤，現(xiàn)設(shè)計(jì)保留原設(shè)計(jì)的大底盤,利用原有3#、4#、5#樓墻柱修改成新的3#、4#、5#樓平面，并在原裙房處增加一幢6層高的6#樓。塔樓部分每幢樓之間用伸縮縫（防震縫）隔開形成上部四個(gè)塔樓。平面示意圖如圖1所示。

圖1 平面示意圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說明

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)

在對本工程進(jìn)行結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)的時(shí)候主要遵循了《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2001）、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2001）、《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3-2002）等有關(guān)規(guī)定。

建筑抗震設(shè)防類別為丙類，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，所在地區(qū)的地震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.15 g，設(shè)計(jì)地震分組第一組，場地類別II類，特征周期Tg=0.35sec。

100年一遇的基本風(fēng)壓0.95 kN/m2，地面粗糙度B類，風(fēng)載體型系數(shù)1.4。

本工程地質(zhì)詳勘報(bào)告。

地下室部分抗震鑒定報(bào)告。

2.2 工程選定的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

本次設(shè)計(jì)選定的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)主要有裙樓結(jié)構(gòu)及塔樓結(jié)構(gòu)兩部分。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)選定如下：

1）裙樓結(jié)構(gòu)維持原設(shè)計(jì)的框剪結(jié)構(gòu)

本次工程為兩層裙房，東西長127.6 m，地下部分已完成施工且沒有預(yù)留變形縫，故裙樓采用后澆帶及跳倉法施工，其中厚板中不設(shè)后澆帶采用跳倉法施工，厚板與其他屋面采用后澆帶處理。

2）塔樓結(jié)構(gòu)

圖2 整體結(jié)構(gòu)單元網(wǎng)格示意圖

本工程3#樓22層建筑物高度69.98 m，4#樓29層建筑物高度90.28 m，5#樓17層建筑物高度56.98 m，這三個(gè)塔樓均采用剪力墻結(jié)構(gòu)。6#樓6層建筑物高度21.8 m，采用框架結(jié)構(gòu)。根據(jù)主樓與裙樓豎向構(gòu)件關(guān)系，將3#、4#、5#塔樓結(jié)構(gòu)采用厚板轉(zhuǎn)換層轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換厚板設(shè)于2層屋面（3層樓面），4號(hào)樓轉(zhuǎn)換板上承托28層,轉(zhuǎn)換板厚為1.8 m。3號(hào)樓轉(zhuǎn)換板上承托21層，轉(zhuǎn)換板厚為1.5 m。5號(hào)樓轉(zhuǎn)換板上承托16層，轉(zhuǎn)換板厚為1.5 m,厚板長約98 m。整體結(jié)構(gòu)單元網(wǎng)格示意圖如圖2所示。

3 厚板轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)計(jì)算

為了精確分析轉(zhuǎn)換板的內(nèi)力，本文采用實(shí)體單元對轉(zhuǎn)換板進(jìn)行有限元模擬，同時(shí)與其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件形成三維空間力學(xué)模型。這樣未對轉(zhuǎn)換板的邊界條件作任何簡化。采用大型有限元軟件ANSYS對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，重點(diǎn)分析轉(zhuǎn)換板的內(nèi)力和變形。計(jì)算分析時(shí)考慮三個(gè)塔樓和轉(zhuǎn)換板整體作用效果。在ANSYS軟件建模時(shí),轉(zhuǎn)換厚板采用實(shí)體單元，每個(gè)結(jié)點(diǎn)含有3個(gè)未知數(shù)。剪力墻和樓板采用殼單元，每個(gè)結(jié)點(diǎn)含有6個(gè)未知數(shù)?？蛑е推胀翰捎萌S空間線單元,每個(gè)結(jié)點(diǎn)含有6個(gè)未知數(shù)[1]。

3.1 厚板轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)荷載計(jì)算

本工程對于厚板轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的荷載計(jì)算主要分為恒載、活載、風(fēng)載的計(jì)算。

1）厚板轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)恒載計(jì)算

恒載包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重和附加荷載（各種設(shè)備、建筑裝飾和填充墻）。在ANSYS軟件中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重按慣性力來計(jì)算，可只需輸入附加荷載。樓板、梁和墻輸入的荷載數(shù)值來自于SATWE模型。從各塔樓下轉(zhuǎn)換板的豎向位移來看，轉(zhuǎn)換板上最大位移均發(fā)生在框支柱與核心筒相連的大板上，并且位于懸挑部位[4]。4號(hào)樓豎向最大位移為2.122 mm，3號(hào)樓豎向最大位移為2.272 mm，5號(hào)樓豎向最大位移為1.918 mm。轉(zhuǎn)換板的最大位移不是發(fā)生在最高的4號(hào)樓，而是在3號(hào)樓。由于3號(hào)樓轉(zhuǎn)換板上承托21層，而且板厚僅為1.5 m，因此3號(hào)樓處的轉(zhuǎn)換板在設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)加以重視。

2）厚板轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)活載計(jì)算

活載均作用在樓板上，樓板輸入的荷載數(shù)值來自于SATWE模型。活荷載的計(jì)算量關(guān)系到了z向位移數(shù)值，通過SATWE模型的活荷載計(jì)算得出活荷載在各樓層中的分布并不均勻、各豎向構(gòu)件分配的軸力差距在增大的結(jié)論。

3）厚板轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)風(fēng)載計(jì)算

ANSYS軟件將各樓層的風(fēng)荷載數(shù)值均勻分配到各抗側(cè)構(gòu)件在樓蓋處的節(jié)點(diǎn)上，這樣可保證風(fēng)荷載作用數(shù)值的準(zhǔn)確性。在x向、y向風(fēng)載作用下，整體結(jié)構(gòu)和框支層的x向、y向會(huì)發(fā)生變形。計(jì)算結(jié)果顯示風(fēng)載值還在合理范圍內(nèi)。

3.2 結(jié)構(gòu)模態(tài)和等效剛度比計(jì)算

轉(zhuǎn)換層上下結(jié)構(gòu)等效側(cè)向剛度比計(jì)算應(yīng)參考《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》對計(jì)算等效側(cè)向剛度比的模型要求，采用三維空間模型，上部結(jié)構(gòu)取3層，高度為8.0 m。下部結(jié)構(gòu)取2層，高度為9.8 m。分別考慮兩個(gè)主軸方向（x向、y向）的等效側(cè)向剛度比，按《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》式計(jì)算。從而得到結(jié)構(gòu)在x、y兩方向上轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)等效側(cè)向剛度比分別為0.360、0.454，均滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》的限制要求。

3.3 結(jié)構(gòu)地震指數(shù)及位移計(jì)算

在ANSYS軟件分析中,采用振型分解反應(yīng)譜法來計(jì)算結(jié)構(gòu)的地震作用效應(yīng)。本工程按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50011-2001設(shè)計(jì)，以此規(guī)范給出的地震影響系數(shù)曲線為依據(jù)，乘以重力加速度，得到加速度反應(yīng)譜曲線。本工程地處II類場地，抗震設(shè)防烈度為七度，反應(yīng)譜最大影響系數(shù)0.12。在用ANSYS軟件計(jì)算時(shí)，各振型以位移為基礎(chǔ)進(jìn)行作用效應(yīng)的組合，采用CQC法計(jì)算結(jié)構(gòu)的地震作用效應(yīng)。在結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，將數(shù)值分別作用在結(jié)構(gòu)x向、y向上，計(jì)算出結(jié)構(gòu)的地震作用效應(yīng)，包括結(jié)點(diǎn)位移、單元力和層剪力。本工程的結(jié)構(gòu)總重力荷載代表值為307 200 kN。x向地震作用下，結(jié)構(gòu)底部總地震剪力為14 772.8 kN，剪重比為4.81%。y向地震作用下，結(jié)構(gòu)底部總地震剪力為13 668.6 kN，剪重比為4.45%。在地震作用下，計(jì)算得到的各樓層層位移和層間位移角數(shù)值遠(yuǎn)小于規(guī)范限值1/1 000，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論與建議

通過對整體結(jié)構(gòu)各種工況作用下的組合有限元計(jì)算分析得出所計(jì)算的結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。由于在x向風(fēng)荷載和地震荷載作用下，結(jié)構(gòu)平面下部兩個(gè)角端抗側(cè)能力明顯偏小，此處扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較大，設(shè)計(jì)時(shí)需采取加強(qiáng)措施。建議對各塔樓核心筒部位樓板均加厚至150 mm，采用雙層雙向配筋，立面收進(jìn)及屋頂小塔樓等部位樓板均加厚。將轉(zhuǎn)換層各塔樓下墻柱抗震等級(jí)均改為一級(jí)，4號(hào)樓框支角柱抗震等級(jí)提高至特一級(jí)，并設(shè)芯柱提高其延性。

[1]趙欣.試論土木工程建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的問題與初探[J].中國房地產(chǎn)業(yè),2015(8)：188.

[2]駱永生.建筑工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與思路的研究[J].安徽建筑,2015(5)：117-118.