厚板轉換層結構設計研究

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1工程概述

工程的施工地點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成，這兩部分的樓層數分別為2層與30層。設計前期調查表明該塔樓的地下室及1#、2#塔樓已經于1995年12月完成施工。本次設計對3#、4#、5#樓原設計戶型進行了較大幅度的修改.通過不斷的結構試算，對基礎及地下室結構進行受力分析，確定了上部各塔樓能建設的層數，擬訂了建筑方案。經過對結構方案的比對論證，本項目確定采用多塔帶厚板轉換層結構型式，結構體系由下部框剪結構轉換成上部剪力墻結構，且上部建筑接近一半剪力墻需要在三層樓面處轉換。多墻帶厚板轉換結構屬于復雜高層建筑結構，超出規范要求，需要進行專項審查。原設計3#、4#、5#樓下部一、二層相連形成大底盤，現設計保留原設計的大底盤,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）隔開形成上部四個塔樓。平面示意圖如圖1所示。

2結構設計說明

2.1結構設計依據。在對本工程進行結構初步設計的時候主要遵循了《建筑結構荷載規范》（GB50009-2001）、《建筑抗震設計規范》（GB50011-2001）、《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3-2002）等有關規定。建筑抗震設防類別為丙類，建筑結構安全等級為二級，所在地區的地震設防烈度為7度，設計基本地震加速度0.15g，設計地震分組第一組，場地類別II類，特征周期Tg=0.35sec。100年一遇的基本風壓0.95kN/m2，地面粗糙度B類，風載體型系數1.4。本工程地質詳勘報告。地下室部分抗震鑒定報告。2.2工程選定的設計結構。本次設計選定的設計結構主要有裙樓結構及塔樓結構兩部分。設計結構選定如下:1）裙樓結構維持原設計的框剪結構本次工程為兩層裙房，東西長127.6m，地下部分已完成施工且沒有預留變形縫，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）塔樓結構本工程3#樓22層建筑物高度69.98m，4#樓29層建筑物高度90.28m，5#樓17層建筑物高度56.98m，這三個塔樓均采用剪力墻結構。6#樓6層建筑物高度21.8m，采用框架結構。根據主樓與裙樓豎向構件關系，將3#、4#、5#塔樓結構采用厚板轉換層轉換，轉換厚板設于2層屋面（3層樓面），4號樓轉換板上承托28層,轉換板厚為1.8m。3號樓轉換板上承托21層，轉換板厚為1.5m。5號樓轉換板上承托16層，轉換板厚為1.5m,厚板長約98m。整體結構單元網格示意圖如圖2所示。

3厚板轉換結構計算

為了精確分析轉換板的內力，本文采用實體單元對轉換板進行有限元模擬，同時與其他結構構件形成三維空間力學模型。這樣未對轉換板的邊界條件作任何簡化。采用大型有限元軟件ANSYS對整體結構進行計算分析，重點分析轉換板的內力和變形。計算分析時考慮三個塔樓和轉換板整體作用效果。在ANSYS軟件建模時,轉換厚板采用實體單元，每個結點含有3個未知數。剪力墻和樓板采用殼單元，每個結點含有6個未知數?？蛑е推胀翰捎萌S空間線單元,每個結點含有6個未知數[1]。3.1厚板轉換層結構荷載計算。本工程對于厚板轉換層結構的荷載計算主要分為恒載、活載、風載的計算。1）厚板轉換層結構恒載計算恒載包括結構構件自重和附加荷載（各種設備、建筑裝飾和填充墻）。在ANSYS軟件中，結構構件自重按慣性力來計算，可只需輸入附加荷載。樓板、梁和墻輸入的荷載數值來自于SATWE模型。從各塔樓下轉換板的豎向位移來看，轉換板上最大位移均發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號樓豎向最大位移為2.122mm，3號樓豎向最大位移為2.272mm，5號樓豎向最大位移為1.918mm。轉換板的最大位移不是發生在最高的4號樓，而是在3號樓。由于3號樓轉換板上承托21層，而且板厚僅為1.5m，因此3號樓處的轉換板在設計時也應加以重視。2）厚板轉換層結構活載計算活載均作用在樓板上，樓板輸入的荷載數值來自于SATWE模型?；詈奢d的計算量關系到了z向位移數值，通過SATWE模型的活荷載計算得出活荷載在各樓層中的分布并不均勻、各豎向構件分配的軸力差距在增大的結論。3）厚板轉換層結構風載計算ANSYS軟件將各樓層的風荷載數值均勻分配到各抗側構件在樓蓋處的節點上，這樣可保證風荷載作用數值的準確性。在x向、y向風載作用下，整體結構和框支層的x向、y向會發生變形。計算結果顯示風載值還在合理范圍內。3.2結構模態和等效剛度比計算。轉換層上下結構等效側向剛度比計算應參考《高層建筑混凝土結構設計規程》對計算等效側向剛度比的模型要求，采用三維空間模型，上部結構取3層，高度為8.0m。下部結構取2層，高度為9.8m。分別考慮兩個主軸方向（x向、y向）的等效側向剛度比，按《高層建筑混凝土結構設計規程》式計算。從而得到結構在x、y兩方向上轉換層上、下結構等效側向剛度比分別為0.360、0.454，均滿足《高層建筑混凝土結構設計規程》的限制要求。3.3結構地震指數及位移計算。在ANSYS軟件分析中,采用振型分解反應譜法來計算結構的地震作用效應。本工程按《建筑抗震設計規范》GB50011-2001設計，以此規范給出的地震影響系數曲線為依據，乘以重力加速度，得到加速度反應譜曲線。本工程地處II類場地，抗震設防烈度為七度，反應譜最大影響系數0.12。在用ANSYS軟件計算時，各振型以位移為基礎進行作用效應的組合，采用CQC法計算結構的地震作用效應。在結構計算時，將數值分別作用在結構x向、y向上，計算出結構的地震作用效應，包括結點位移、單元力和層剪力。本工程的結構總重力荷載代表值為307200kN。x向地震作用下，結構底部總地震剪力為14772.8kN，剪重比為4.81%。y向地震作用下，結構底部總地震剪力為13668.6kN，剪重比為4.45%。在地震作用下，計算得到的各樓層層位移和層間位移角數值遠小于規范限值1/1000，滿足設計要求。

4結論與建議

通過對整體結構各種工況作用下的組合有限元計算分析得出所計算的結構整體設計指標滿足規范要求。由于在x向風荷載和地震荷載作用下，結構平面下部兩個角端抗側能力明顯偏小，此處扭轉效應較大，設計時需采取加強措施。建議對各塔樓核心筒部位樓板均加厚至150mm，采用雙層雙向配筋，立面收進及屋頂小塔樓等部位樓板均加厚。將轉換層各塔樓下墻柱抗震等級均改為一級，號樓框支角柱抗震等級提高至特一級，并設芯柱提高其延性。

參考文獻:

[1]趙欣.試論土木工程建筑結構設計中的問題與初探[J].中國房地產業,2015(8):188.

[2]駱永生.建筑工程項目設計中鋼結構設計方法與思路的研究[J].安徽建筑,2015(5):117-118.

作者:周定武 單位:上海建筑設計研究院有限公司廈門分院