厚板轉(zhuǎn)換的設(shè)計實踐

曹 若 淵

(山西省建筑設(shè)計研究院，山西 太原　030013)

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厚板轉(zhuǎn)換的設(shè)計實踐

曹 若 淵

(山西省建筑設(shè)計研究院，山西 太原030013)

介紹了結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的常見形式，并以某工程為例，分析了該建筑結(jié)構(gòu)整體抗震性能及厚板應(yīng)力，闡述了厚板轉(zhuǎn)換在低烈度區(qū)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，為類似工程設(shè)計提供參考。

建筑物，結(jié)構(gòu)分析，節(jié)點設(shè)計，應(yīng)力

1　結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的形式

在建筑設(shè)計時，建筑物下部由于使用功能的要求，往往需要大空間大柱網(wǎng)，而上部的住宅為了避免大截面梁柱的出現(xiàn)采用剪力墻結(jié)構(gòu)。這就造成了建筑的某一層需要進行結(jié)構(gòu)形式的轉(zhuǎn)換。目前國內(nèi)常用的轉(zhuǎn)換層轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件有轉(zhuǎn)換梁、桁架、空腹桁架、箱形結(jié)構(gòu)、斜桿、厚板等。由于轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)換部位上、下層的結(jié)構(gòu)剛度差別比較大，其抗震性能相對較差。應(yīng)采取加強措施，否則轉(zhuǎn)換層的破壞會先于其他部位，塑性鉸出現(xiàn)于底部，對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大破壞。由于對于厚板轉(zhuǎn)換形式在地震區(qū)使用的經(jīng)驗少，厚板轉(zhuǎn)換可能會影響結(jié)構(gòu)整體的抗震性能，現(xiàn)在限制高烈度區(qū)采用厚板轉(zhuǎn)換。《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第10.2.4條注明：非抗震設(shè)計和6度抗震設(shè)計時可采用厚板,7，8度抗震設(shè)計時地下室的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件可采用厚板。研究結(jié)果表明在6度區(qū)，只要適當(dāng)構(gòu)造，板柱節(jié)點在承受豎向設(shè)計荷載產(chǎn)生的沖切剪力時，即使罕遇地震的作用，仍然具有足夠的延性，且厚板轉(zhuǎn)換具有凈高增加、鋼筋排序簡單和支模方便以及無需多級轉(zhuǎn)換等優(yōu)點。

2　工程概況及造型

本工程為地下3層，地上32層建筑物，地下3層、2層為人防，地下1層、1層、2層為商業(yè)，3層～32層為住宅。地下3層層高3.2 m，地下2層4.3 m，地下1層4.6 m，1層4.5 m，2層6 m(包括2 m厚板)。建筑平面如圖1，圖2所示。

結(jié)構(gòu)總高度為97.5 m。抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計基本地震加速度值為0.05g，第三組。場地類別為Ⅱ類。由于建筑設(shè)計時戶型設(shè)計在先，戶型設(shè)計時并沒有考慮結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，因此在選擇結(jié)構(gòu)方案時，如果采用梁式轉(zhuǎn)換，將造成許多二、三級轉(zhuǎn)換，使結(jié)構(gòu)方案更加不合理，所以綜合考慮采用厚板轉(zhuǎn)換的形式使底部空間布置更加靈活。

3　結(jié)構(gòu)分析

3.1抗震性能目標(biāo)的確定

根據(jù)JGJ 3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程第3,11節(jié)，本工程結(jié)構(gòu)預(yù)期的抗震性能目標(biāo)要求達到C級，相應(yīng)小震、中震和大震下的結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)分別為水準(zhǔn)1、水準(zhǔn)3和水準(zhǔn)4。

3.2結(jié)構(gòu)的整體計算

本工程采用中國建筑科學(xué)研究院編制的《結(jié)構(gòu)空間有限元分析與計算軟件》(SATWE v2.2)進行了整體分析計算。首先采用柱間設(shè)置虛梁以形成轉(zhuǎn)換板上下結(jié)構(gòu)力的有效傳遞，使轉(zhuǎn)換板參與結(jié)構(gòu)的整體分析，其中轉(zhuǎn)換梁無剛度不參與計算，然后采用midas building程序中板的有限元計算分析對轉(zhuǎn)換厚板進行分析，最后采用midas building程序?qū)ㄖ镌诤庇龅卣鹱饔孟逻M行靜力彈塑性推覆分析，進行性能化設(shè)計。轉(zhuǎn)換層厚板位于第2層，相當(dāng)于幾層樓自重的厚板質(zhì)量集中在該層頂，震動性能復(fù)雜，且很容易出現(xiàn)本層剛度比下一層剛度大很多的情況，樓層剛度在此層明顯突變，容易產(chǎn)生底部變形集中以及相鄰上下層產(chǎn)生很大的作用力，地震反應(yīng)強烈，結(jié)構(gòu)抗震不利。應(yīng)對框支柱及框支柱與厚板的連接進行加強，對轉(zhuǎn)換層以下各層的側(cè)向剛度進行加強，能有效傳遞水平地震作用至底層。通過概念性設(shè)計，對剪力墻的布置進行調(diào)整，合理加強建筑的抗扭轉(zhuǎn)剛度，對結(jié)構(gòu)最大位移比進行嚴(yán)格控制，最大位移比不應(yīng)大于1.4，并對轉(zhuǎn)換層與上一層的側(cè)向剛度進行控制。本工程偶然偏心地震作用規(guī)定水平力下最大位移比為X向1.2；轉(zhuǎn)換層與上一層的側(cè)向剛度比：X方向剛度比為1.027 4；Y方向剛度比為1.021 9，均滿足規(guī)范要求。

考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)時的振動周期(s),X,Y方向的平動系數(shù)、扭轉(zhuǎn)系數(shù)見表1，最大層間位移角見表2。

表1　結(jié)構(gòu)振動周期表

表2　最大層間位移角

3.3厚板應(yīng)力分析

厚板作為轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)換構(gòu)件，需要同時承受和傳遞豎向力作用以及把水平力傳遞和分配給豎向抗側(cè)力構(gòu)件、協(xié)調(diào)同一樓層中豎向構(gòu)件的變形，使建筑物形成一個完整的抗側(cè)力體系。本工程應(yīng)用midas building程序中板的有限元計算分析對轉(zhuǎn)換厚板在恒、活、風(fēng)、水平、豎向地震(小震)工況組合下的應(yīng)力、撓度、配筋進行了分析、比較，均滿足規(guī)范要求及符合結(jié)構(gòu)受力模型。

3.4大震階段分析

本工程應(yīng)用midas building程序采用簡化模型對建筑物在罕遇地震作用下進行靜力彈塑性推覆模擬分析。

罕遇地震作用下靜力彈塑性分析所得的性能點處的位移、剪力如表3所示。

表3　位移、剪力表

在大震下靜力彈塑性分析所得的各種性能曲線如圖3～圖6所示。

主要計算結(jié)果分析。1)罕遇地震作用時，X向、Y向性能點處彈塑性層間位移角最大值均小于1/100,并同時滿足規(guī)范中性能水準(zhǔn)四及大震不倒的抗震目標(biāo)。2)在推覆過程中，受彎塑性點首先出現(xiàn)在底部剪力墻連梁、轉(zhuǎn)換層上一層墻肢，接著沿豎向發(fā)展，受彎塑性點增多，直到性能點大部分連梁發(fā)生破壞，部分框架梁發(fā)生彎曲破壞。因此結(jié)構(gòu)薄弱部位為：轉(zhuǎn)換層上一層剪力墻、平面凹凸墻肢處，應(yīng)加強抗震構(gòu)造措施。3)根據(jù)計算結(jié)果底部加強區(qū)各片剪力墻的受剪截面尺寸驗算可滿足不屈服的要求。

4　節(jié)點設(shè)計

本工程轉(zhuǎn)換厚板位于2層頂，板厚2 000 mm，混凝土強度C40。計算表明，厚板滿足抗彎、抗剪、抗沖切的設(shè)計要求。本工程采取了以下措施：

1)在豎向荷載和地震力的共同作用下厚板可能產(chǎn)生剪切破壞，應(yīng)三向配筋。本工程應(yīng)用midas building程序中板的有限元計算分析對轉(zhuǎn)換厚板在恒、活、風(fēng)、水平、豎向地震(小震)工況組合下的應(yīng)力進行分析及配筋。鋼筋沿板上下部雙層雙向32@130配置，以及按有限元法分析計算要求附加鋼筋，每層每方向配筋率達到0.31%，滿足高規(guī)10.2.23的要求。板頂、板底設(shè)置拉筋18@780×780如圖7所示。

2)在厚板周邊邊緣位置及框支柱之間設(shè)置暗梁，暗梁構(gòu)造同框支轉(zhuǎn)換梁，當(dāng)上部剪力墻未置于框支柱之間的暗梁上時，應(yīng)增設(shè)暗梁，兩端錨入框支柱之間暗梁內(nèi)，具體構(gòu)造如圖8所示。

在厚板周邊邊緣位置及框支柱之間設(shè)置暗梁可有效防止轉(zhuǎn)換厚板沿厚度方向產(chǎn)生層狀水平裂縫。

3)對轉(zhuǎn)換層以上兩層剪力墻按加強區(qū)進行了加強配置，并且邊緣構(gòu)件按約束構(gòu)件設(shè)計繼續(xù)向上延伸一層，提高了暗柱及墻體配筋率，增強其延性及抗彎、抗剪能力，平面凹凸墻肢處暗柱采取同樣的加強措施。

4)設(shè)置轉(zhuǎn)換層，豎向構(gòu)件不連續(xù)，不可避免的在轉(zhuǎn)換層出現(xiàn)剛度變化，引起轉(zhuǎn)換層相鄰樓層的地震作用增大，應(yīng)對相鄰樓板采取加強措施，提高其承載及變形協(xié)調(diào)的能力。本工程對轉(zhuǎn)換樓板相鄰層的樓板采取了加厚板厚至150 mm且雙層雙向配筋的措施。

5)對框支柱及落地剪力墻的軸壓比嚴(yán)格按照規(guī)范控制，有條件時應(yīng)提高控制要求，并適當(dāng)提高其縱筋配筋率及體積配箍率，提高其延性。

6)由于板厚為2 m，自重較大，屬于大體積混凝土，如采用一次性澆筑，模板支撐難度大，水化熱引起的溫度應(yīng)力也較大，考慮施工時分兩次澆筑，厚板中部設(shè)雙向14@260鋼筋網(wǎng)片，先施工下部1 000 mm厚部分，待混凝土強度達到70%再施工上半部分。施工時優(yōu)先采用水化熱小的水泥，添加15%左右的粉煤灰，減小混凝土施工過程中的水化熱，并且添加適量的膨脹劑或膨脹纖維，解決部分混凝土收縮開裂問題。

5　結(jié)語

通過對厚板的受力分析，節(jié)點設(shè)計,可以看出在低烈度區(qū)，采用合理的設(shè)計手段，計算精確，措施恰當(dāng)，合理的配筋及構(gòu)造，完全能夠滿足建筑物在中、大震下的安全性。

[1]李國勝.多高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中疑難問題的處理及計算[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2011.

[2]朱炳寅.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程應(yīng)用與分析JGJ 3—2010[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2013.

Design practice of thick plate transition

Cao Ruoyuan

(Shanxi Academy of Building Design, Taiyuan 030013, China)

The paper introduces common structural transformation layer forms. Taking the engineering as an example, it analyzes integral building structure seismic performance and thick-plate stress, and describes the application of thick-plate transition layer in transition structure with low intensity, which has provided some guidance for similar engineering design.

building, structural analysis, joint design, stress

1009-6825(2016)25-0046-03

2016-06-18

曹若淵(1981- )，男，工程師

TU318

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