某高層建筑厚板轉(zhuǎn)換層的設(shè)計總結(jié)

1、某高層建筑厚板轉(zhuǎn)換層的設(shè)計總結(jié)中南建筑設(shè)計院許敏陳興關(guān)鍵詞：平面設(shè)計豎向設(shè)計計算結(jié)果厚板轉(zhuǎn)換層內(nèi)容提要：介紹了某高層建筑為滿足建筑功能的要求，在結(jié)構(gòu)選型時所考慮的問題和采取的結(jié)構(gòu)手段；并介紹了厚板轉(zhuǎn)換層的設(shè)計和構(gòu)造情況。 一、 工程簡介武漢新長江“2008”工程項目總建筑面積約為10萬m2。地面以上一棟二十六層寫字樓，為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)；兩棟三十層商住樓，總高度98.0m（局部106.0m），為帶轉(zhuǎn)換層的底部大空間框支剪力墻結(jié)構(gòu)；裙房三層，為框架結(jié)構(gòu)。寫字樓地下室兩層，商住樓和裙房地下室一層。本工程建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，合理使用年限為50年，所處地段場地土類別為類，場地土類型為中軟

2、場地土，抗震設(shè)防烈度為6度，抗震設(shè)防類別為丙類建筑，設(shè)計基本地震加速度0.05g，設(shè)計地震分組為第一組；主樓基本風(fēng)壓值0.4kN/m2。商住樓抗震等級：地下一層至四層框支柱為一級，框架梁為二級；底部加強部位剪力墻(七層，標(biāo)高28.400以下)為一級，其余剪力墻為三級。二、 結(jié)構(gòu)選型兩棟商住樓，轉(zhuǎn)換層以下是商場，地下室是停車庫，無論是從建筑的使用功能還是從視覺的美觀考慮，轉(zhuǎn)換層以下以布置成規(guī)則的框架軸網(wǎng)為最佳選擇；轉(zhuǎn)換層以上是住宅標(biāo)準(zhǔn)層，為了使室內(nèi)簡潔，不露梁、柱，采用承重墻與分隔墻合二為一的剪力墻結(jié)構(gòu)，無疑是明智的選擇。要使這兩個最優(yōu)方案協(xié)調(diào)起來，就是轉(zhuǎn)換層要解決的問題。商住樓標(biāo)準(zhǔn)層平面如圖1

3、所示，剖面圖如圖2所示，標(biāo)準(zhǔn)層的結(jié)構(gòu)設(shè)計，除按概念設(shè)計的要求考慮平面規(guī)則性、樓板連續(xù)性、整體連接性外，還應(yīng)考慮梁的截面高度和平面布置情況，從圖2可看出，標(biāo)準(zhǔn)層層高只有2.9米，通常梁底凈空高度不宜小于2.4米，考慮扣除建筑面層30mm，那么最大梁高只有470mm，相當(dāng)于對梁的跨度提出了限制要求，標(biāo)準(zhǔn)層梁的布置經(jīng)常會出現(xiàn)與剪力墻垂直相交的情況，較小的梁跨度有利于減小剪力墻平面外的彎矩；標(biāo)準(zhǔn)層梁的布置還應(yīng)注意到不能穿越客廳和臥室，以得到最佳的空間效果。從圖1可看出，標(biāo)準(zhǔn)層部分軸網(wǎng)相當(dāng)復(fù)雜，與其下的大柱網(wǎng)商場軸網(wǎng)很難協(xié)調(diào)，若采用梁式轉(zhuǎn)換，由于框支柱的布置要結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)層的平面考慮，結(jié)果布置出來的柱位很零

4、亂，不便于地下車庫和商場的使用，且出現(xiàn)了轉(zhuǎn)換主梁托轉(zhuǎn)換次梁，轉(zhuǎn)換次梁再托轉(zhuǎn)換次梁的不利情況；又嘗試著先將框支柱網(wǎng)布置得略微規(guī)矩一些，再來調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)層平面，由于標(biāo)準(zhǔn)層的剪力墻是落在框支梁上的，受框支梁位置的制約，標(biāo)準(zhǔn)層剪力墻的位置就要作調(diào)整，就會牽涉到戶型和平面的變動，且出現(xiàn)了梁的跨度過大和梁穿越臥室、廳的情況，其結(jié)果，使得轉(zhuǎn)換層上下的建筑功能都只是一個互相遷就的折衷方案，而不是最優(yōu)方案。目前帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑中，常用的結(jié)構(gòu)型式是梁式轉(zhuǎn)換，它的計算、分析比較簡單，故成為結(jié)構(gòu)工程師考慮轉(zhuǎn)換層問題時的首選，但在工程實踐中，結(jié)構(gòu)工程師們發(fā)現(xiàn)，有些工程，建筑師們?yōu)榱俗畲笙薅鹊刈非蠼ㄖ钠矫婀δ苄?，設(shè)計出來

5、的方案，轉(zhuǎn)換層上下豎向構(gòu)件的軸網(wǎng)復(fù)雜，難以用梁直接承托，于是厚板轉(zhuǎn)換應(yīng)需而生。經(jīng)與建筑師商量，并征得甲方的同意，本工程決定采用厚板式轉(zhuǎn)換層。按厚板轉(zhuǎn)換層方式調(diào)整后的第二棟商住樓二層建筑平面圖如圖3所示。 三、 結(jié)構(gòu)的平面設(shè)計本工程平面布置時，地下室不設(shè)縫，為一個整體，考慮設(shè)置后澆帶和加大配筋的辦法來減少溫度和混凝土收縮對結(jié)構(gòu)的影響。上部結(jié)構(gòu)設(shè)置了三條抗震縫，將上部結(jié)構(gòu)分成了寫字樓、商住樓一、商住樓二和裙房四個獨立的單元。從圖1和圖3可看出，標(biāo)準(zhǔn)層部分的剪力墻核心筒只有樓梯間和電梯井筒可以落地，其他部分不能落地，核心筒橫向(X)×縱向(Y)的尺寸為5.6m×10.8m，且核心

6、筒偏向左邊，為了加強轉(zhuǎn)換層以下部分的結(jié)構(gòu)剛度，在轉(zhuǎn)換層以下將核心筒橫向尺寸擴大，因為房屋為長方形，橫向剛度比縱向差，擴大核心筒橫向尺寸后，不僅加強了橫向剛度，還改善了核心筒的偏心情況，經(jīng)與建筑師協(xié)商，結(jié)合樓梯的布置，將核心筒橫向尺寸由5.6m擴大到約12m，形成了一個12m×10.8m的核心筒；另外，在房屋的四個角部設(shè)置了“L”形的剪力墻，既提高了轉(zhuǎn)換層以下結(jié)構(gòu)兩個方向的抗推剛度，也提高了整個結(jié)構(gòu)的抗扭轉(zhuǎn)能力。平面設(shè)計時還應(yīng)考慮落地剪力墻的間距， 商住樓一轉(zhuǎn)換層以下落地墻間距小于20米，滿足“高規(guī)”第.6條要求；商住樓二轉(zhuǎn)換層以下落地墻間距Y36軸至X軸為23.1米，略大于20米，考

7、慮到轉(zhuǎn)換層為厚板，比一般的梁式轉(zhuǎn)換層板厚180250mm要大得多，樓板剛度很大，足以使轉(zhuǎn)換層上部的剪力能有效地傳遞給落地剪力墻。轉(zhuǎn)換層以上由厚板承托的剪力墻厚度為200mm，由于短肢剪力墻的抗震性能較差，規(guī)范要求的最小配筋率很高(“高規(guī)”第7.1.2.6條)，且短肢剪力墻的構(gòu)造要求更嚴格(“高規(guī)”第7.1.2.3條)，故設(shè)計時取墻主肢的長度不小于1600mm(即8倍的墻厚)，盡量避免出現(xiàn)短肢剪力墻，有少數(shù)剪力墻，受建筑門窗位置的限制而形成了短肢剪力墻的，則按短肢剪力墻的有關(guān)規(guī)定設(shè)計；剪力墻盡量帶翼緣，尤其是邊角部位的剪力墻更應(yīng)帶翼緣，一字形剪力墻因平面外穩(wěn)定性不好，只布置在墻平面外的兩側(cè)均有樓

8、板連接的中間部位。四、 結(jié)構(gòu)的豎向設(shè)計兩棟商住樓為使結(jié)構(gòu)沿豎向剛度變化不過于懸殊，避免剛度突變而形成薄弱層，設(shè)計時采取了以下措施： 1、調(diào)整轉(zhuǎn)換層上、下的剪力墻厚度。四個角部設(shè)置的“L”形剪力墻厚度為400mm；核心筒剪力墻轉(zhuǎn)換層以下墻厚為350mm，轉(zhuǎn)換層以上墻厚為250mm；轉(zhuǎn)換層以上由厚板承托的剪力墻厚度均為200mm，在滿足墻主肢長度不小于1600mm且與之連接的梁的跨度不太大的前提下，盡量減小剪力墻的長度，用梁托填充墻來代替剪力墻。2、盡可能減小轉(zhuǎn)換層層高。轉(zhuǎn)換層厚板的厚度通常由抗剪、抗沖切強度控制，采取框支柱支座加腋的辦法降低厚板的厚度，從而減小轉(zhuǎn)換層層高。3、加大轉(zhuǎn)換層上一層的層

9、高。初步設(shè)計時轉(zhuǎn)換層以上標(biāo)準(zhǔn)層的層高均為2.9米，施工圖設(shè)計時經(jīng)與建筑專業(yè)協(xié)商，將轉(zhuǎn)換層的上一層層高改為3.1米，再以上的標(biāo)準(zhǔn)層層高仍為2.9米。4、電算時， 轉(zhuǎn)換層上、下兩層的層高不是按建筑剖面圖的尺寸輸入，而是將厚板的板厚均分給與其相鄰兩層的層高，由此可見，厚板轉(zhuǎn)換層比梁式轉(zhuǎn)換層的層高變化要均勻一些，亦即豎向剛度變化也要均勻一些。五、 主要的計算結(jié)果本工程采用由中國建筑科學(xué)研究院PKPMCAD 工程部編制的高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計軟件SATWE(版本2003/05)程序進行計算。兩棟商住樓標(biāo)準(zhǔn)層平面有局部凹入和開洞，計算時將有關(guān)部位的樓板定義為彈性膜，這樣程序會真實地計算樓板平面內(nèi)

10、剛度，地震作用計算采用總剛分析方法。計算時，以地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固部位。初次計算時，取水平力與整體坐標(biāo)夾角(度)ARF=0，程序輸出結(jié)果告知地震作用的最大方向角(度)為ARF=2.3，改ARF=2.3重新計算，得到的地震作用時最不利方向的基底剪力、傾覆彎矩均比ARF=0時大。1. 周期控制商住樓二結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt=2.15秒，平動為主的第一自振周期T1=2.75秒，Tt/T1=0.78<0.85，滿足“高規(guī)”第4.3.5條的要求。2. SATWE最大樓層層間位移u/h(相應(yīng)于某一節(jié)點)：地震作用下風(fēng)荷載作用下ARF=0ARF=2.3ARF=0ARF=2.3商住樓二X方

11、向1/28511/2881X方向1/19271/1915Y方向1/34891/3450Y方向1/54981/5142以上層間位移u/h計算值為考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)影響后相應(yīng)于某一層某一節(jié)點的最大值?！案咭?guī)”表限值為1/800，以上結(jié)果均滿足要求。3. SATWE樓層最大位移與層平均位移比值的最大值：地震作用下風(fēng)荷載作用下ARF=0ARF=2.3ARF=0ARF=2.3商住樓二X方向1.101.10X方向1.061.05Y方向1.161.18Y方向1.051.06“高規(guī)”第條限值為1.4，以上結(jié)果均滿足要求。4. SATWE最大層間位移與平均層間位移比值的最大值：地震作用下風(fēng)荷載作用下ARF=0ARF=

12、2.3ARF=0ARF=2.3商住樓二X方向1.121.11X方向1.071.08Y方向1.201.20Y方向1.101.10“高規(guī)”第條限值為1.4，以上結(jié)果均滿足要求。5. 以Rx、Ry分別表示 X、Y方向地下室層側(cè)移剛度與地上一層側(cè)移剛度的比值。兩棟樓的Rx、Ry均大于2，滿足“高規(guī)”第5.3.7條要求，說明以地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固部位是合適的。6. 以地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固端，兩棟住宅樓的計算表明，轉(zhuǎn)換層及下部結(jié)構(gòu)(1至4層)的等效側(cè)向剛度比轉(zhuǎn)換層及上部部分結(jié)構(gòu)(5至10層)的等效側(cè)向剛度還要大，滿足“高規(guī)”附錄E第E.0.2條轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比不大于1.3的要求

13、，分析原因，主要是由于轉(zhuǎn)換層以下中心筒及四角的剪力墻剛度很大；轉(zhuǎn)換層上一層的側(cè)向剛度與轉(zhuǎn)換層的側(cè)向剛度比，兩個方向均小于1.05， 滿足“高規(guī)”附錄E第E.0.2條轉(zhuǎn)換層的側(cè)向剛度不應(yīng)小于相鄰上部樓層側(cè)向剛度的60%的要求。 7. 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及重力二階效應(yīng)驗算兩棟樓的結(jié)構(gòu)剛重比EJd/GH2均大于1.4，能夠通過“高規(guī)”第5.4.4條的整體穩(wěn)定驗算。兩棟樓的結(jié)構(gòu)剛重比EJd/GH2均大于2.7，可以不考慮重力二階效應(yīng)(見“高規(guī)”第5.4.1條)。8. 兩棟商住樓有轉(zhuǎn)換層，屬于復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)，按“高規(guī)”第5.1.13條的要求，又用由中國建筑科學(xué)研究院編制的多層及高層建筑結(jié)構(gòu)三維分析與設(shè)計軟件TA

14、T(版本2003/05)程序進行計算，有關(guān)的計算指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。9. 兩棟商住樓有轉(zhuǎn)換層，屬于復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)，按“高規(guī)”第5.1.13條的要求， 用SATWE程序?qū)Y(jié)構(gòu)進行了彈性動力時程分析，取地面運動最大加速度為18gal，結(jié)構(gòu)的阻尼比為5%。選取了三條地震波：TAF-2(Taft波)、LAN4-2(蘭州人工波)和該場地的人工合成波。前兩條地震波為SATWE程序里自帶的， 場地土類別為類，平均周期均為Tg=0.30.4秒；第三條地震波為武漢地震工程研究院提供的該場地的人工合成波。有關(guān)的計算指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。六、 轉(zhuǎn)換層厚板的設(shè)計厚板的內(nèi)力分析及配筋計算采用兩個方法進行，一個是按交叉梁

15、系計算，另一個是用SATWE程序附帶的“轉(zhuǎn)換層厚板有限元分析”程序(FEQ-SLAB)。本工程最大框支柱距7米，板厚采用1.6米，為最大柱距的1/4.4，厚板混凝土強度等級為C40，在中間柱縱橫軸網(wǎng)方向設(shè)暗梁AL1，板端(即周邊)設(shè)暗梁AL2，暗梁寬度1.8米，約為柱距的1/4。AL2比AL1腰筋配得更多一些，主要是考慮到加強板邊緣構(gòu)件的抗扭能力，和防止厚板的板端沿厚度方向產(chǎn)生層狀水平裂縫，樓梯間和電梯井筒的周圍也按板端考慮，設(shè)置AL2(見圖4)。 厚板應(yīng)滿足抗彎、抗剪、抗沖切的要求，抗沖切計算除應(yīng)考慮框支柱對厚板的沖切外，還應(yīng)考慮厚板上的剪力墻對厚板的沖切。框支柱對厚板的沖切應(yīng)考慮梁箍筋的作

16、用；厚板上的剪力墻對厚板的沖切通常只考慮混凝土的作用，由板的厚度控制。厚板自重較大，屬大體積混凝土，如采用一次性澆灌混凝土，模板支撐難度較大，水化熱引起的溫度應(yīng)力也較大，故考慮厚板分兩層進行施工，第一次施工板下部的700mm厚，待混凝土強度達到70%時再施工板上部的900mm厚，上、下部分交界處(即水平施工縫處)，除水平設(shè)置兩層14150(雙向)鋼筋網(wǎng)外，還豎向設(shè)置25600(雙向)拉筋(兼做抗沖切筋用)，并設(shè)置剪力墩(見圖8)，以利抗剪。豎向拉筋采用粗筋稀布，主要是考慮到施工人員在第一層板上的行走方便，暗梁區(qū)域由于有箍筋的存在，可不設(shè)該拉筋。以邊柱為例，計算框支柱對厚板的沖切，從電算第6層柱

17、軸壓比和柱編號圖可知，邊柱以25號柱軸力最大，查SATWE配筋、驗算輸出文件WPJ6.OUT-N-C= 25 ( 1)B*H(mm)= 900* 900Cover= 35(mm) Cx= 2.50 Cy= 2.50 Lc= 4.70(m) Nfc= 2 Rcc= 50.0( 30)N= -13212. Uc= 0.71 Rs= 1.51(%) Rsv= 1.50(%) ( 36)N= -9327. Mx= 543. My= 354. Asxt= 4246.( 36)N= -9327. Mx= 543. My= 354. Asyt= 2830.( 1)N= -13850. Mx= 169. My

18、= -32. Asxb= 4246.( 1)N= -13850. Mx= 169. My= -32. Asyb= 2830.-組合(1)為1.35D+0.98L。沖切計算見混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GB50010-2002)第條和第7.7.1條。厚板厚度1600mm，混凝土強度等級C40。由于建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，故取0=1。厚板有效計算高度h0=1600-100=1500 (mm)沖切破壞錐體下邊為正方形，下邊邊長為0.9m，上邊為長方形，上邊邊長為(0.9+2×1.5)×(0.9+0.2(厚板邊距柱邊挑出200mm)+1.5)=3.9m×2.6m，沖切破壞錐體上邊面積為3.9×2.6=10.1m2。厚板面恒載47 kN/m2 ，厚板面活載2 kN/m2面載設(shè)計值1.2×47+1.4×2=59.2 kN/m2Fl=13850-10.1×59.2=13252 kNft=1.71N/mm2；s=2；s=30；邊柱的沖切臨界截面周長只能考慮三邊。um=2×(0.2+0.9+1.5/2)+(0.9+1.5)=6.1 (m)=6100 mm1=0.4+1.2/s=0.4+1.2/2=1.02=0.5+s*h0/(4um)=0.5+30×1500/(4×6100)=2.3=min(1， 2)=