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厚板转换层结构设计研究

1工程概述

工程的施工地点为福建省厦门市湖滨北路与长青路交叉口的东北角,原建筑为高层建筑群。要进行施工的建筑群属于塔楼建筑,整体由地下室与上部建筑两部分构成,这两部分的楼层数分别为2层与30层。设计前期调查表明该塔楼的地下室及1#、2#塔楼已经于1995年12月完成施工。本次设计对3#、4#、5#楼原设计户型进行了较大幅度的修改.通过不断的结构试算,对基础及地下室结构进行受力分析,确定了上部各塔楼能建设的层数,拟订了建筑方案。经过对结构方案的比对论证,本项目确定采用多塔带厚板转换层结构型式,结构体系由下部框剪结构转换成上部剪力墙结构,且上部建筑接近一半剪力墙需要在三层楼面处转换。多墙带厚板转换结构属于复杂高层建筑结构,超出规范要求,需要进行专项审查。原设计3#、4#、5#楼下部一、二层相连形成大底盘,现设计保留原设计的大底盘,利用原有3#、4#、5#楼墙柱修改成新的3#、4#、5#楼平面,并在原裙房处增加一幢6层高的6#楼。塔楼部分每幢楼之间用伸缩缝(防震缝)隔开形成上部四个塔楼。平面示意图如图1所示。

2结构设计说明

2.1结构设计依据。在对本工程进行结构初步设计的时候主要遵循了《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)、《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)、《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)等有关规定。建筑抗震设防类别为丙类,建筑结构安全等级为二级,所在地区的地震设防烈度为7度,设计基本地震加速度0.15g,设计地震分组第一组,场地类别II类,特征周期Tg=0.35sec。100年一遇的基本风压0.95kN/m2,地面粗糙度B类,风载体型系数1.4。本工程地质详勘报告。地下室部分抗震鉴定报告。2.2工程选定的设计结构。本次设计选定的设计结构主要有裙楼结构及塔楼结构两部分。设计结构选定如下:1)裙楼结构维持原设计的框剪结构本次工程为两层裙房,东西长127.6m,地下部分已完成施工且没有预留变形缝,故裙楼采用后浇带及跳仓法施工,其中厚板中不设后浇带采用跳仓法施工,厚板与其他屋面采用后浇带处理。2)塔楼结构本工程3#楼22层建筑物高度69.98m,4#楼29层建筑物高度90.28m,5#楼17层建筑物高度56.98m,这三个塔楼均采用剪力墙结构。6#楼6层建筑物高度21.8m,采用框架结构。根据主楼与裙楼竖向构件关系,将3#、4#、5#塔楼结构采用厚板转换层转换,转换厚板设于2层屋面(3层楼面),4号楼转换板上承托28层,转换板厚为1.8m。3号楼转换板上承托21层,转换板厚为1.5m。5号楼转换板上承托16层,转换板厚为1.5m,厚板长约98m。整体结构单元网格示意图如图2所示。

3厚板转换结构计算

为了精确分析转换板的内力,本文采用实体单元对转换板进行有限元模拟,同时与其他结构构件形成三维空间力学模型。这样未对转换板的边界条件作任何简化。采用大型有限元软件ANSYS对整体结构进行计算分析,重点分析转换板的内力和变形。计算分析时考虑三个塔楼和转换板整体作用效果。在ANSYS软件建模时,转换厚板采用实体单元,每个结点含有3个未知数。剪力墙和楼板采用壳单元,每个结点含有6个未知数。框支柱和普通梁采用三维空间线单元,每个结点含有6个未知数[1]。3.1厚板转换层结构荷载计算。本工程对于厚板转换层结构的荷载计算主要分为恒载、活载、风载的计算。1)厚板转换层结构恒载计算恒载包括结构构件自重和附加荷载(各种设备、建筑装饰和填充墙)。在ANSYS软件中,结构构件自重按惯性力来计算,可只需输入附加荷载。楼板、梁和墙输入的荷载数值来自于SATWE模型。从各塔楼下转换板的竖向位移来看,转换板上最大位移均发生在框支柱与核心筒相连的大板上,并且位于悬挑部位[4]。4号楼竖向最大位移为2.122mm,3号楼竖向最大位移为2.272mm,5号楼竖向最大位移为1.918mm。转换板的最大位移不是发生在最高的4号楼,而是在3号楼。由于3号楼转换板上承托21层,而且板厚仅为1.5m,因此3号楼处的转换板在设计时也应加以重视。2)厚板转换层结构活载计算活载均作用在楼板上,楼板输入的荷载数值来自于SATWE模型。活荷载的计算量关系到了z向位移数值,通过SATWE模型的活荷载计算得出活荷载在各楼层中的分布并不均匀、各竖向构件分配的轴力差距在增大的结论。3)厚板转换层结构风载计算ANSYS软件将各楼层的风荷载数值均匀分配到各抗侧构件在楼盖处的节点上,这样可保证风荷载作用数值的准确性。在x向、y向风载作用下,整体结构和框支层的x向、y向会发生变形。计算结果显示风载值还在合理范围内。3.2结构模态和等效刚度比计算。转换层上下结构等效侧向刚度比计算应参考《高层建筑混凝土结构设计规程》对计算等效侧向刚度比的模型要求,采用三维空间模型,上部结构取3层,高度为8.0m。下部结构取2层,高度为9.8m。分别考虑两个主轴方向(x向、y向)的等效侧向刚度比,按《高层建筑混凝土结构设计规程》式计算。从而得到结构在x、y两方向上转换层上、下结构等效侧向刚度比分别为0.360、0.454,均满足《高层建筑混凝土结构设计规程》的限制要求。3.3结构地震指数及位移计算。在ANSYS软件分析中,采用振型分解反应谱法来计算结构的地震作用效应。本工程按《建筑抗震设计规范》GB50011-2001设计,以此规范给出的地震影响系数曲线为依据,乘以重力加速度,得到加速度反应谱曲线。本工程地处II类场地,抗震设防烈度为七度,反应谱最大影响系数0.12。在用ANSYS软件计算时,各振型以位移为基础进行作用效应的组合,采用CQC法计算结构的地震作用效应。在结构计算时,将数值分别作用在结构x向、y向上,计算出结构的地震作用效应,包括结点位移、单元力和层剪力。本工程的结构总重力荷载代表值为307200kN。x向地震作用下,结构底部总地震剪力为14772.8kN,剪重比为4.81%。y向地震作用下,结构底部总地震剪力为13668.6kN,剪重比为4.45%。在地震作用下,计算得到的各楼层层位移和层间位移角数值远小于规范限值1/1000,满足设计要求。

4结论与建议

通过对整体结构各种工况作用下的组合有限元计算分析得出所计算的结构整体设计指标满足规范要求。由于在x向风荷载和地震荷载作用下,结构平面下部两个角端抗侧能力明显偏小,此处扭转效应较大,设计时需采取加强措施。建议对各塔楼核心筒部位楼板均加厚至150mm,采用双层双向配筋,立面收进及屋顶小塔楼等部位楼板均加厚。将转换层各塔楼下墙柱抗震等级均改为一级,号楼框支角柱抗震等级提高至特一级,并设芯柱提高其延性。

参考文献:

[1]赵欣.试论土木工程建筑结构设计中的问题与初探[J].中国房地产业,2015(8):188.

[2]骆永生.建筑工程项目设计中钢结构设计方法与思路的研究[J].安徽建筑,2015(5):117-118.

作者:周定武 单位:上海建筑设计研究院有限公司厦门分院

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