厚板轉換的設計實踐

曹 若 淵

(山西省建筑設計研究院，山西 太原　030013)

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厚板轉換的設計實踐

曹 若 淵

(山西省建筑設計研究院，山西 太原030013)

介紹了結構轉換層的常見形式，并以某工程為例，分析了該建筑結構整體抗震性能及厚板應力，闡述了厚板轉換在低烈度區轉換結構中的應用，為類似工程設計提供參考。

建筑物，結構分析，節點設計，應力

1　結構轉換層的形式

在建筑設計時，建筑物下部由于使用功能的要求，往往需要大空間大柱網，而上部的住宅為了避免大截面梁柱的出現采用剪力墻結構。這就造成了建筑的某一層需要進行結構形式的轉換。目前國內常用的轉換層轉換結構構件有轉換梁、桁架、空腹桁架、箱形結構、斜桿、厚板等。由于轉換結構在轉換部位上、下層的結構剛度差別比較大，其抗震性能相對較差。應采取加強措施，否則轉換層的破壞會先于其他部位，塑性鉸出現于底部，對結構產生較大破壞。由于對于厚板轉換形式在地震區使用的經驗少，厚板轉換可能會影響結構整體的抗震性能，現在限制高烈度區采用厚板轉換。《高層建筑混凝土結構技術規程》第10.2.4條注明：非抗震設計和6度抗震設計時可采用厚板,7，8度抗震設計時地下室的轉換結構構件可采用厚板。研究結果表明在6度區，只要適當構造，板柱節點在承受豎向設計荷載產生的沖切剪力時，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換等優點。

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，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。

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

3　結構分析

3.1抗震性能目標的確定

根據JGJ 3—2010高層建筑混凝土結構技術規程第3,11節，本工程結構預期的抗震性能目標要求達到C級，相應小震、中震和大震下的結構抗震性能水準分別為水準1、水準3和水準4。

3.2結構的整體計算

本工程采用中國建筑科學研究院編制的《結構空間有限元分析與計算軟件》(SATWE v2.2)進行了整體分析計算。首先采用柱間設置虛梁以形成轉換板上下結構力的有效傳遞，使轉換板參與結構的整體分析，其中轉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換厚板進行分析，最后采用midas building程序對建筑物在罕遇地震作用下進行靜力彈塑性推覆分析，進行性能化設計。轉換層厚板位于第2層，相當于幾層樓自重的厚板質量集中在該層頂，震動性能復雜，且很容易出現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，容易產生底部變形集中以及相鄰上下層產生很大的作用力，地震反應強烈，結構抗震不利。應對框支柱及框支柱與厚板的連接進行加強，對轉換層以下各層的側向剛度進行加強，能有效傳遞水平地震作用至底層。通過概念性設計，對剪力墻的布置進行調整，合理加強建筑的抗扭轉剛度，對結構最大位移比進行嚴格控制，最大位移比不應大于1.4，并對轉換層與上一層的側向剛度進行控制。本工程偶然偏心地震作用規定水平力下最大位移比為X向1.2；轉換層與上一層的側向剛度比：X方向剛度比為1.027 4；Y方向剛度比為1.021 9，均滿足規范要求。

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

表1　結構振動周期表

表2　最大層間位移角

3.3厚板應力分析

厚板作為轉換結構中的轉換構件，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力構件、協調同一樓層中豎向構件的變形，使建筑物形成一個完整的抗側力體系。本工程應用midas building程序中板的有限元計算分析對轉換厚板在恒、活、風、水平、豎向地震(小震)工況組合下的應力、撓度、配筋進行了分析、比較，均滿足規范要求及符合結構受力模型。

3.4大震階段分析

本工程應用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,并同時滿足規范中性能水準四及大震不倒的抗震目標。2)在推覆過程中，受彎塑性點首先出現在底部剪力墻連梁、轉換層上一層墻肢，接著沿豎向發展，受彎塑性點增多，直到性能點大部分連梁發生破壞，部分框架梁發生彎曲破壞。因此結構薄弱部位為：轉換層上一層剪力墻、平面凹凸墻肢處，應加強抗震構造措施。3)根據計算結果底部加強區各片剪力墻的受剪截面尺寸驗算可滿足不屈服的要求。

4　節點設計

本工程轉換厚板位于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生剪切破壞，應三向配筋。本工程應用midas building程序中板的有限元計算分析對轉換厚板在恒、活、風、水平、豎向地震(小震)工況組合下的應力進行分析及配筋。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10.2.23的要求。板頂、板底設置拉筋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置暗梁，暗梁構造同框支轉換梁，當上部剪力墻未置于框支柱之間的暗梁上時，應增設暗梁，兩端錨入框支柱之間暗梁內，具體構造如圖8所示。

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

3)對轉換層以上兩層剪力墻按加強區進行了加強配置，并且邊緣構件按約束構件設計繼續向上延伸一層，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)設置轉換層，豎向構件不連續，不可避免的在轉換層出現剛度變化，引起轉換層相鄰樓層的地震作用增大，應對相鄰樓板采取加強措施，提高其承載及變形協調的能力。本工程對轉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格按照規范控制，有條件時應提高控制要求，并適當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力也較大，考慮施工時分兩次澆筑，厚板中部設雙向14@260鋼筋網片，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　結語

通過對厚板的受力分析，節點設計,可以看出在低烈度區，采用合理的設計手段，計算精確，措施恰當，合理的配筋及構造，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構設計中疑難問題的處理及計算[M].北京：中國建筑工業出版社,2011.

[2]朱炳寅.高層建筑混凝土結構技術規程應用與分析JGJ 3—2010[M].北京：中國建筑工業出版社,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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