連體結(jié)構(gòu)樓板的性能化設(shè)計(jì)

陳昌海，湯啟明，徐向茜，李林，鄭鵬

（重慶市設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400015）

1 工程概況

某工程位于重慶市江北區(qū)的CBD中央商務(wù)區(qū)。建筑面積46685.3m2，共7層。整體結(jié)構(gòu)高31.7m，采用框架結(jié)構(gòu)體系。柱距6～8m，樓蓋采用主次梁體系。結(jié)構(gòu)一、二層為大底盤裙房，二層以上為1#商業(yè)樓與2#商業(yè)樓兩棟雙塔結(jié)構(gòu)。1#及2#樓在三～六層均由寬4～5m的連廊連接，形成連體結(jié)構(gòu)，屬于平面特別不規(guī)則、豎向不規(guī)則的超限高層結(jié)構(gòu)。建筑效果如圖1所示，典型結(jié)構(gòu)平面布置如圖2、圖3所示。

圖1 建筑效果圖

圖2 三層結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖3 五層結(jié)構(gòu)平面布置圖

2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50年，抗震設(shè)防烈度6度，地震分組為第1組，場地類別Ⅲ類，抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類。50年一遇基本風(fēng)壓0.40kPa。地面粗糙度類別定為B類。結(jié)構(gòu)嵌固部位為基頂。基礎(chǔ)等級甲級，持力層為中風(fēng)化泥巖，基礎(chǔ)形式為樁基。

3 連廊連接體與主體結(jié)構(gòu)連接方式比選

連接體結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)一般有滑動(dòng)連接和剛性連接兩種連接方式。當(dāng)采用滑動(dòng)連接時(shí)，連接體結(jié)構(gòu)兩端的滑動(dòng)支座釋放水平位移，連體結(jié)構(gòu)自身按簡支梁設(shè)計(jì)，連接體兩端的主體結(jié)構(gòu)僅承擔(dān)連接體結(jié)構(gòu)豎向荷載，各自的水平位移不受連接體約束，結(jié)構(gòu)受力簡單明確。

但結(jié)合建筑布置特點(diǎn)來看，若該項(xiàng)目采用滑動(dòng)連接，會(huì)帶來以下不利影響：

首先，該項(xiàng)目大底盤裙房以上的1#商業(yè)樓及2#商業(yè)樓均為長寬比過大的長矩形平面，如商業(yè)2#樓平面長寬比（L/B）達(dá)11。并且，在各個(gè)樓層均有樓板收進(jìn)形成的薄弱部位。按分塔模型計(jì)算，結(jié)構(gòu)最大位移比超過1.6，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)作用明顯[1]。

其次，結(jié)構(gòu)三～五層連接天橋數(shù)量較多，且各個(gè)連接天橋的跨度及平面位置均不同，造成滑動(dòng)支座需要預(yù)留較大的變形空間。支座平面尺寸大，結(jié)構(gòu)留縫寬度大，不能滿足建筑功能要求。

當(dāng)三～五層的連廊兩端剛性連接時(shí)，商業(yè)1#、2#樓形成類環(huán)形平面，結(jié)構(gòu)長寬比3.1。按整體計(jì)算，最大位移比1.38。可見剛性連接體起到協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)整體變形、控制扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的作用。同時(shí)，采用剛性連接后，結(jié)構(gòu)平面不設(shè)縫，大大提高了建筑布置的靈活性及整體品質(zhì)效果。綜上分析，該項(xiàng)目在結(jié)構(gòu)三～五層的天橋采用剛性連接。

六層商業(yè)1#樓分成2個(gè)小屋面，只有一個(gè)連廊與商業(yè)2#樓連接。該連廊兩端設(shè)滑動(dòng)支座，釋放水平位移。

按上述原則進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置后，形成的連體結(jié)構(gòu)剖面示意如圖4所示。

圖4 結(jié)構(gòu)剖面示意圖

4 連接體樓板性能設(shè)計(jì)

4.1 連接體樓板性能目標(biāo)與計(jì)算模型

在多遇地震及設(shè)防地震作用下，連接體樓板應(yīng)控制混凝土開裂程度，避免樓板剛度明顯削弱，保證水平力傳遞與協(xié)調(diào)變形能力。在罕遇地震作用下，應(yīng)避免樓板受剪破壞。因此，該項(xiàng)目針對三～五層剛性連接體部位的結(jié)構(gòu)樓板制定性能目標(biāo)[2]，詳見表1。

表1 樓板的抗震設(shè)計(jì)性能目標(biāo)

為達(dá)到上述性能目標(biāo)，對樓板薄弱部位，采用了以下加強(qiáng)措施：（1）增大樓板厚度，具體詳見表2；（2）提高局部混凝土等級：結(jié)構(gòu)梁板混凝土等級C35，剛性連接體樓板及主體結(jié)構(gòu)與剛性連接體相接的樓板混凝土等級提高至C40；（3）根據(jù)樓板應(yīng)力分析結(jié)果加強(qiáng)配筋。

表2 連接體樓板厚度

采用分塊剛性力學(xué)模型進(jìn)行樓板應(yīng)力計(jì)算。計(jì)算中，連接體樓板及兩端主體結(jié)構(gòu)的樓板采用彈性板單元，最大單元尺寸1.0m。地震作用按CQC法計(jì)算，設(shè)防地震影響系數(shù)最大值amax=0.12，罕遇地震影響系數(shù)最大值amax=0.28。

結(jié)構(gòu)三～五層連接天橋部位樓板較厚，豎向荷載作用下均為構(gòu)造配筋。本文計(jì)算分析樓板在地震作用單工況的平面拉應(yīng)力和剪力、抗拉及抗剪配筋。施工圖中除滿足豎向受彎配筋之外，再根據(jù)本文計(jì)算結(jié)果，額外附加配筋。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，五層連接體樓板在地震作用下正應(yīng)力及剪應(yīng)力均大于三層及四層連接體樓板。該受力特點(diǎn)與《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）第10.5.5條加強(qiáng)最上層連接體構(gòu)造設(shè)計(jì)的要求相契合。限于篇幅，以下就以五層連接體樓板作為代表進(jìn)行介紹。

4.2 多遇地震及設(shè)防地震樓板計(jì)算

多遇地震作用下，五層結(jié)構(gòu)樓板正應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 X向多遇地震作用樓板正應(yīng)力（N/mm2）

圖6 Y向多遇地震作用樓板正應(yīng)力（N/mm2）

設(shè)防地震作用下，五層結(jié)構(gòu)樓板正應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 X向設(shè)防地震作用樓板正應(yīng)力（N/mm2）

圖8 Y向設(shè)防地震作用樓板正應(yīng)力（N/mm2）

采用混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值作為控制樓板核心區(qū)混凝土開裂的指標(biāo)。按材料力學(xué)第一強(qiáng)度理論可知，樓板中最大正應(yīng)力不大于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值[3]。從正應(yīng)力云圖可以看出：（1）在樓板邊緣及角部區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中；（2）在多遇地震作用下，連接體樓板最大正拉應(yīng)力為0.9N/mm2，設(shè)防地震作用下，連接體樓板最大正應(yīng)力2.20N/mm2下，樓板應(yīng)力均未超過C40混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.39N/mm2。上述計(jì)算結(jié)果表明，在多遇地震或設(shè)防地震的作用下，樓板剛度不會(huì)因?yàn)榛炷灵_裂而受到明顯削弱，能有效傳遞水平力。其正截面承載力達(dá)到預(yù)設(shè)性能目標(biāo)。

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）第10.5.7條規(guī)定，連接體樓板抗剪采用下式驗(yàn)算：

表3 計(jì)算結(jié)果表明，樓板截面抗剪滿足要求，計(jì)算配筋面積也在合理的區(qū)間，能夠滿足不屈服的性能目標(biāo)。樓板斜截面承載力達(dá)到預(yù)設(shè)性能目標(biāo)。

表3 樓板抗剪驗(yàn)算

4.3 罕遇地震樓板計(jì)算

根據(jù)性能目標(biāo)，大震作用下樓板抗剪截面控制條件需滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）公式3.11.3-4，材料強(qiáng)度均采用標(biāo)準(zhǔn)值：

罕遇地震樓板正應(yīng)力及剪力計(jì)算結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 X向罕遇地震作用樓板剪力（kN）

圖10 Y向大震作用樓板剪力（kN）

根據(jù)剪力云圖可以看出：連接體樓板單位寬度最大剪力為936kN≤0.15fckbh0=1005kN，滿足抗剪截面控制條件，達(dá)到預(yù)設(shè)性能目標(biāo)。

5 結(jié)論

該工程為協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)整體變形，控制扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，連接體采用剛性連接。通過增大連接體樓板厚度，提高局部樓板混凝土等級及加強(qiáng)配筋的方式，使得連接體及周邊部位樓板應(yīng)力處于合理可控的范圍。連接體樓板滿足性能目標(biāo)，在多遇地震及設(shè)防地震作用下，樓板能保證水平力傳遞與協(xié)調(diào)變形能力，保證了剛性連接的有效性,在罕遇地震作用下，避免了樓板的削弱部位受剪破壞。工程于2019年12月通過了超限審查[4]。