（土木工程专业论文）大开间高层住宅板式转换体系应用研究.pdf

摘要 板式转换层是高层建筑转换层的一种主要形式，其结构自重比较大，为了保 证施工的质量与安全，施工时必须架设大量的脚手架，并且需要一直延续到底层 地面，甚至达到地下室底板。因此，脚手架的占用量非常大，就会导致材料周转 费用过大，增加施工成本。为了解决这个问题，本文结合工程实例，对钢筋混凝 土厚板结构转换层施工中排架支撑系统进行了研究。通过现场实测和有限元分析 结合，达到了对排架支撑体系的优化布置，从而方便了施工，减少了施工成本， 提高了施工的效率和质量。 论文还对板式转换层开洞问题进行了研究，对转换层板开洞后的抗弯和抗冲 切性能进行了分析。得出结论是，转换板开洞对转换板的抗弯能力有一定的影响， 但转换板本身配筋能够满足抗弯设计要求。混凝土强度能够满足抗冲切要求。最 后，对有开洞的板式转换层在施工中的注意事项给出了合理化建议。 关键词：转换层，厚板，排架优化，开洞分析 a b s t r a c t a b s t r a c t t h es l a bt r a n s f e rs t o r e yi sak i n do ft r a n s f e rs t o r e yo fh i 啦r i s eb u i l d i n g ，w h o s e s t r u c t u r eg r a v i t yi sg r e a t d u r i n gc o n s t r u c t i n gi t ，ag r e a tm t m b e ro fs c a f f o l dm u s tb e u s e dt og u a r a n t e et h eq u a l i t ya n ds a f e t yt h ec o n s t r u c t i o n , a n ds o m e t i m ew em u s tr i s e t h es c a f f o l du n t i lt h eg r o u n do ff i r s tf l o o r , e v e nt ot h eb a s e m e n t sb a s ep l a t e s o ，t h i s w i l lm a k et h ee x p e n s eo fm a t e r i a lt u i m o v e ra n dt h ec o s to fc o n s t r u c t i o ni n c r e a s e d t o s o l v et h ep r o b l e mt h i st h e s i sb a s eo nt h ea c t u a lp r o j e c tt os t u d ys t e e lp i p es u p p o r t s y s t e mo fr e i n f o r c e dc o n c r e t et h i c ks l a bt r a n s f e rs t o r e y t h r o u g ht e s t i n go nt h es p o t a n da n a l y z i n gw i t ht h e 铀i 钯d e m e n ts o f t w a r e ，s t e e lp i p es u p p o r ts y s t e mi so p t i m i z e d ， c o n v e n i e n tf o rc o n s t r u c t i o n , r e d u c i n gt h ec o s to fc o n s t r u c t i n ga n dr a i s i n ge f f i c i e n c y a n dq u a i l t yo f c o n s t r u c t i n g t h i st h e s i sa l s or e s e a r c h e st h es l a bt r a n s f e rs t o r e yw i t hs o m et l o l e sa n da n a l y z e s t h eb e n da n ds h e a rc a p a b i l i t yo f t h et h i c ks l a bw i t hh o l e s mc o n c l u s i o n , t h eh o l ei n t h es l a bh a se f f e c tt od e g r e eo i li t sb e n dc a p a b i l i t y , b u tt h es t e e li ni tc a nm e e tt h e d e s i g nr e q u i r e m e n t s t h ec o n c r e t ei n t e n s i t yc a l ls u f f i c et h e s h e a r c a p a b i l i t y r e q u i r e m e n t s i nt h ee n d ，s o m ec o n d u c t i v es u g g e s t i o n sa r ep r o v i d e di nt h ec o u r s eo f c o n s t r u c t i n gt h es l a bt r a n s f e rs t o r e yw i t hs o m eh o l e s k e yw o r d s ：t r a n s f e rs t o r e y , t h i c ks l a b ，o p t i m i z a t i o no fs t e e lp i p es u p p o r ts y s t e m ， h e l e s 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：鬻妾琴 k f 年3 月i 口日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 辫鸣 年月日 么厅，年3 月t o 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 年月日 第一章绪论 1 1 转换层结构的应用 第一章绪论 1 1 1 转换层结构的应用 随着高层建筑的发展，建筑物的功能不再单一，如公寓、旅馆、办公楼等均在 建筑物下部设置商店、银行、公共大厅、会议中心、停车场等需要较大跨度的公共 空间。特别是在一些多用途建筑物中，公寓、办公、旅馆房间、公共娱乐设施、公 共商业设施等交错其中。 上部的公寓、旅馆等要求用开间小，轴线布置较多的墙体以满足其需要；下部 的商店、银行、公共大厅、会议中心、停车场等公共商业设旖、公共娱乐设施等要 求尽可能大的自由空间，且墙体尽可能地少。建筑物功能的改变要求建筑结构形式 的改变。而上、下结构形式的变化，就需要一个转换结构，以完成上部结构力传递 至下部结构的要求。 1 1 。2 转换层结构的功能 从结构角度看，转换层结构的功能主要有： 1 、上、下层结构形式的转换 这种转换层广泛用于剪力墙结构和框刍g 一剪力墙结构，将上部的剪力墙转换为 下部的框架。 深圳市彩福大厦，3 7 层( 含3 层地下室) ，地上1 - - 4 层和裙房为商场，采用框架 结构( 含核心筒) ，6 3 4 层为住宅，采用剪力墙结构，第5 层为粱式转换层，转换梁 高达2 4 m 。 2 、上、下层结构轴网的转换 转换层上下结构形式没有改变，但通过转换层使下层柱距扩大，形成大柱网， 这种形式常用于外框筒的下层以形成较大的入口。 香港新鸿基中心，5 1 层，筒中筒结构，高2 1 4 m 。该建筑第5 层为转换层，1 4 层 为商业用房，5 层以上为办公楼，为了在底层布置大的出入口，采用2 o m x 5 5 m 预应 力大梁进行结构轴网转换，将底层柱距扩大为1 2 6 m 和1 6 8 m 。 3 、上、下层结构形式和结构轴网同时转换 第一章绪论 上部楼层剪力墙结构通过转换层改变为下部框架结构的同时，下部柱网轴线与 上部剪力墙的轴线错开，形成上、下结构不对齐的布置。 深圳云景大区主体建筑地下1 层，地上3 4 层，结构形式采用框支剪力墙结构。 其中4 层以上为轴线布置复杂的剪力墙结构，4 层以下为大空间，柱网轴线简单。由 于结构形式和上、下轴网变化较大，在4 层设置2 2 m 厚的厚板式转换层。 1 2 转换层结构的几种主要形式 1 2 。1 梁式转换结构 梁式转换结构是转换结构中最常见的一种转换结构形式。它具有受力明确，传 力直接，费用较少等特点。梁式转换结构广泛应用于框支剪力墙结构。当上部仅有 单向墙体作用时，可采用单向转换粱，如图1 1 所示。当上部有双向墙体作用时，需 采用双向交叉转换梁，如图1 2 所示。 f f 1 罔f t # i # 目 卜卜h 旺闻翮 t i ， 。t o 止i d 士d 图1 1 1 2 2 厚板式转换结构 当上部剪力墙布置复杂，上、下轴线错开较多，用转换梁结构难以直接承托 时，要采用厚板式转换结构，如图1 3 所示，转换结构具有上部墙体及下部柱网可以 灵活布置，不受结构轴网限制等特点，但同时它也有结构构件超大、自重大、结构 层刚度大等结构上的不利特点，以及村料消耗大、工程造价较多等特点。 板式转换结构用于上、下结构轴网变化较大的高层建筑中，根据上、下轴网的 大小以及承托的层数等变化板的厚度。 2 第一章绪论 圈1 3 1 2 3 箱形转换结构 当转换层上、下板厚较大，与中间的托梁一起共同工作时，形成箱形转换结 构，如图1 4 所示，构件传力明确，结构层刚度大等特点。箱形转换结构可以避免梁 式转换结构中转换大梁开洞的要求。同时将刚度特大的转换梁结构刚度进行局部分 布，对整体结构受力有利。 图1 4 1 2 4 桁架式转换结构 当底部大空间楼层柱距较大时，转换梁高度常达到搂层的整个高度，而又不能 开洞，因而该层无法利用，采用桁架式转换结构可以解决这一涧题。桁架式转换结 构也具有受力明确，传力路径简单等特点，如图1 5 所示。 | l+r 第一章绪论 fl f 。 。4 1 3 转换层结构的研究现状及工程应用现状 1 3 1 国内外转换层结构的工程应用现状 国外一些经济发达国家的高层建筑已有较长的发展历史，高层建筑的数量也较 多，高层建筑中部分采用钢筋混凝土结构。对于一些建筑物功能复杂、建筑结构形 式变化较多的建筑，在一些结构层也设置转换结构。 我国的高层建筑发展迅猛，转换结构在高层建筑中，特别是框支剪力墙结构中 的应用越来越广。转换结构中多采用梁式转换结构，厚板式转换结构常用于一些功 能复杂，上、下结构特别复杂的高层建筑中，箱形转换结构在铁路工程中应用较 多，一些高层建筑也选用桁架式转换结构。 表1 1 列出了国内一些采用转换层的高层建筑。这些结构体系有框剪、框筒、框 支剪力墙、筒中筒等，采用有梁式、厚板式、箱形梁式及桁架式等多种转换结构形 式。转换层结构所使用的材料有钢筋混凝土、劲性混凝土、预应力混凝土以及钢和 混凝土的组合材料。 表所列的7 0 座采用转换层结构的高层建筑中，采用梁式转换结构的有5 9 座，占 8 2 ；采用厚板式转换结构的有7 座，占1 0 ；采用箱形转换结构和桁架式转换结构 的各3 座，占8 。 表1 1 国内一些高层建筑采用转换结构主要特征数据表 4 第一章绪论 24 m 2 4 i n 4 深圳荔湖花苑大厦 3 0 框支剪力墙 槊式 2 6 l o2 lo m x l8 m 钢筋混凝土 i3 m 22 m s 溧目l l 捂毋彩虹城大厦 3 8 柱支剪靠墙援式 3 11 0 0 板厚2 钢筋涩凝土 6 竦圳佳宁娜友谊广场 3 8 框支剪力墙 板式 2 984 扳厚28 m钢筋混靛土 7 天津华信商厦 5 l 筒中筒粱式 4 68 0 l3 m 4 0 m预应力混凝土 8 南京新世纪广场 3 7 框支剪力墙板式 3 01 12 5 板犀2o r n钢筋范凝土 框筒桁桨式 5 01 2 5 9 深i 园岭中心区圆中 3 5 框简桑式 3 07 6 旺8 m j 8 m钢筋澹凝土 花园( 加腋) l o 珠海嘿明山庄商住楼 3 1 挺支剪力墙粱式 2 76 1 粱高l8 r a钢筋混凝土 ( 加腋) 1 1 四川北海工行大厦 4 0 筒中筒粱式 3 0 7 l 钢筋混凝土 ( 托柱) 1 2 辽宁省艺术中心大厦 2 0 框剪粱式 1 32 3 405 5 m 35 m钢筋混凝土 ( 托柱) 1 3 西安小窘1 # 院高层综 3 0 框一剪粟式 2 5 6 梁高12 m钢筋混凝土 合横 1 4 四川广元星江大匿 2 5框支剪力墙凳式2 1粱高1 _ 9 m钢筋 巨凝土 1 5 上海控江大接1 号楼 3 0 筒中筒粱式 2 7 n 3 m 1 5 m钢筋混凝 0 5 1 1 1 l8 m 1 6 广东南海瑞安花园 4 3 框筒桀式 3 58 0 1 6 m 1 9 m钢筋i 爵凝土 ( 加旅)17 m 19 m 1 7 广东惠州综合商住楼 3 2 框筒桀式 2 3 9 5 7 5 08 m 2 8 m 钢筋混凝土 1 8 椿g h 华侨天酒店 2 9 框支剪力墙鬃式 ”9 9 板厚2 2 m铺筋 琵凝土 1 9 南京状元棱酒家 1 3框架结构桀式 b8 6 粱高24 m预应力混凝土 2 0 深圳荔景大厦 2 3 框筒箱式 】31 1 1 6 1 2 m x 27 h a锕筋潺凝土 2 1 北京军队离体干部活 2 3 框剪粱式 1 77 2 0 4 m x l2 m钢筋混凝土 动中心 2 2 北京南洋饭店 2 6 框一剪桑式 1 88 0 粱高4 5 m钢筋混凝土 2 3 广州寨兴宾馆 3 2 框支剪力墙椠式 2 51 06 0 4 m x 3 8 m锅筋混凝土 n 3 a m 2 4 广东地宾馆 1 0框支剪力墙 桨式 868 05 m x 25 m钢箭混凝土 2 5 深圳沙头角大厦 2 3 框支剪力墙巢式 1 97 6 07 m x l8 m钢筋混凝土 2 6 深圳华侨大厦 2 9 框支剪力墙桨式 2 21 201 7 m 25 m 钢筋混凝土 2 7 广末肇庚星湖大酒店 3 5 简中筒粱式 2 88 i05 m 25 m 钢筋混凝土 2 8 西安华辉大酒店 2 1 框支剪力墙蘩式 1 s1o m 1 岫 钢筋混凝 2 9 深圳外贸中心大棱 4 0 筒中筒橐式 3 4l o g1 s m x 4 0 m 部分预应力 3 0 潍目n 四j i l 大厦 2 4 框筒橐式 1 07 4 0 7 m 28 5 m钢筋混凝士 ( 托柱) 3 l 北京瀣洋饭店 3 0 筒中筒粱式 2 57 6l 衄i _ 8 6 m 钢筋漶凝土 3 2 深# 航空大厦 3 8 筒中筒桀式 3 27 91 2 m 3 9 m钢筋混凝土 3 3 深圳中国银行大厦 3 7 框筒檠式 3 0 2 0 2 0 m 54 m钢筋混凝土 ( 空艇) 3 4 探g i 【华采花园住宅 3 4框支剪力墙教式2 9 9 板厚2 工m钢筋挺凝土 3 5 j 索性路局2 0 号高 1 2榧剪 粱式 97 5 0 4 m 25 m钢筋韫凝土 屡住宅( 开洞) 06 m x 25 m 3 6 北京商务会馆 1 5框支剪力墙霈式 90 0 4 m 25 m钢筋混凝土 06 m 25 m 3 7 深圳福脚保税区管理 5 7 框支剪力墙粱式 5 0z 5 粱高l , s m劲性混凝土 中心 3 8 棵# q _ l 龙大厦挺支剪力墙粱走 6 0 o ，5 m x t 7 4 m镊筋挺凝 3 9 深圳华裕花园 3 4 框支剪力墙聚式 2 71 1 11 o m x l8 r i a 钢筋混凝土 0 8 m 24 m 4 0 深圳流花大厦框支剪力墙粱武 6 6o - 8 m x l4 r a钢筋混凝土 4 1 上海龙门宾馆 2 5 框筒桁槊式 1 7 7 4 预应力泡凝士 4 2 上海铁路宾馆 2 5 框筒桁槊式 1 77 4 预应力混凝土 4 3 北京艺苑僵e t 皇矗旅 1 0 箱式 71 79 5 粱高4 0 5 m钢筋混凝上 店 4 4 北京太平洋饭店 1 9 枢支剪力墙粱式 1 1，8 粱高24 m翎筋混凝土 4 5 北京国际贸易中心国 2 6 框一剪繁式 2 09 3 粱高l8 m 劲性混凝士 际旌店 4 6 上海华亭宾馆 3 0 框一剪 粱式 2 49 0 7 粱尚50 8 m钢筋混凝士 ( 托柱) ) 4 7 广州盘鹰大厦 3 4 榧支剪力墙桀式 2 96 714 m 28 m 钢筋混凝上 4 8 广西柳，h 工业品贸易 框支剪力墙粱式 2 51 o r e 2 蛳钢筋担凝七 中心 5 第一章绪论 5 1 浙扛宁波金龙饭店 2 6 框支剪力墙粱式 2 182 08 m x4 1 0 m钢筋混凝土 5 2 潍圳东乐大厦 3 l 框支剪力培集式 2 75 1 4 0 6 m 2o m 锕筋混凝土 5 3 上海天藉宾罐摧简鬻式 7 0 鬃高2 4 m钢筋撼凝土 5 4 深圳金陵宾馆2 6 框支剪力墙 粱式2 06 上14 m 33 m 钢筋混凝土 2 l m x33 m 5 5 潦* n 新洲花园大厦 3 5 框筒粱式 3 01 4 鼻13 m 27 m 钢筋馄凝土 1 5 m x 2 m 5 6 深圳福德住宅接框支剪力墙婪式 7 l0 8 m x l 3 m 钢筋混凝土 0 8 23 m 5 7 潦圳怡豢住宅接 4 3 框支剪力墙粱式 3 48 s 5 o s m 2 5 m锅筋蔼凝土 5 9 深圳田羞大厦 3 5 框支剪力墙莱式 2 81 1 70 6 m 2o m 锯箭混凝土 08 m 25 m 5 9 濠# 1 i 香洲港湾花园 2 a 框支剪力墙 繁式 2 29 0 板犀22 m钢筋 昆凝土 6 0 潦女h 北国大酒桉 4 0 框支剪力墙粱式 3 03 2 2 巢高8 2 m劲性混凝土 2 0 粱高7 2 m 6 l 深# 壮自口湾厦海景花 3 9 框立剪力墙扳式 3 4 楹厚2 2 m钢筋混凝士 园 6 2 深圳新元大厦 3 4 框支剪力墒粱式 2 61 0 七0 1 6 址x 2 0 m 钢筋混凝土 o8 m x 2s m 6 3 源g 绿川大厦 2 3 框一剪莱式 1 84 8 0 7 m 1o m钢筋范凝士 6 4 深# h i 茸神广场 5 3 框一剪翼式 1 59 3 0 4 5 m l9 m劲性混凝土 ( 托柱) 1 4 l2 m x 20 n 1 6 5 深圳红蛉大厦 3 l 框支剪力墙蘩式 2 69 3 0 9 m x la m钢箭 黾凝土 6 6 北京六里屯屠住棱 1 5 框支剪力墙檗式 1 47 工 0 6 m 1 l m劲性混凝土 6 7 珠海海量花融 3 i 框支剪力墙板式 2 2 板厚2 0 m钢筋混凝土 6 8 深圳旨囊大厦 3 5 框点剪力墙掇式 3 094 板厚2 2 m翎筋范凝士 6 9 南意国际大酒店 4 3 框一剪檗式 3 7n6 2 40 4 m 矗3 m 钢筋范凝土 1 3 2 国内外转换层结构的研究现状 五、六十年代，苏联、东欧一些学者提出了柔性底层房屋的方案，即上层全部 为剪力墙，下层全部为框架的结构体系，首先通过设置转换层取得底层大空间，并 认为柔性底层有利予隔震，可以提高整座建筑物的抗震能力。但实践表明柔性底层 房屋并不具有人们所期望的隔震、抗震能力，相反底层框架柱由于不能承受过大的 变形而成为首先破坏的部位，造成房屋的整体倒塌。因此，我国1 9 8 0 年颁布的钢 筋混凝士高层建筑结构设计与施工规定 ( t z l 0 2 9 ) 中，明确规定抗震设设计的 高层建筑中不得采用底层全部为柱子的剪力墙结构。 我国在7 0 年代初的分析和实验研究的基础上提出了部分剪力墙落地的结构设计 概念。1 9 7 5 年，首先在上海建成了大目路1 2 层住宅，并进行了现场应力实测、光弹 性实验、钢筋混凝土模型实验及框支剪力墙有限元分析研究。1 9 8 1 1 9 8 3 年，进行了 1 2 层住宅模型( 1 ：6 ) 的输入地震波拟动力实验，在大连建成了7 度设防的友好广场 住宅。1 9 8 4 1 9 8 6 年，中国建筑科学研究院结构所进行了一栋1 2 层底部大空间上层为 鱼骨式剪力墙模型( 1 ：6 ) 的拟动力实验研究。例外，清华大学也进行了两个1 ： 6 第一章绪论 2 4 混凝土模型的振动台实验研究。这些实验为底部大空间剪力墙结构的整体刚度以 及楼层相对刚度的选择和控制提供了理论上和实验上的技术依据。 随着转换层结构工程实践的发展和理论分析、实验研究的深入，人们逐渐对具 体转换层结构的受力性能进行详细的分析和研究。1 9 9 7 年中国建筑科学研究院抗震 所“高层建筑转换梁抗震性能研究”专题组对受力复杂的转换梁进行了模型实验及 有限元分析研究。还有一些学者对转换层结构的内容进行了研究。这些研究对不同 类型转换层结构受力性能有了进一步的了解。 1 4 转换层结构设计方法存在的问题 目前在多、高层建筑中，开发商多要求建筑物具有完备的建筑功能，建筑师在 建筑设计中也往往首先想到采用结构转换层来完成上、下层建筑物功能的转换。但 一些结构设计人员在实际进行转换层设计时显得无从下手，没有可操作、可遵循的 设计思路、设计原则来进行结构设计。造成这种现象的主要原因是当前转换层设计 没有相关的可遵循的设计原则，使设计人员难以进行结构选型、截面确定、计算模 型确定、计算方法确定，计算结果应用以及配筋方法的实施等一系列结构设计步 骤。这种现状与我国当前高层建筑的发展是不相适应的。 转换结构层具有与一般结构层相比结构重量大、结构层剐度大、几何尺寸超 大、受力复杂等特点。这样的尺寸和重量意味着转换结构组成了建筑物的主要构 件。它们设计的是否合理、安全、经济对整个结构的安全性、结构造价、施工费用 等有着重要影响。因此要对转换层结构的受力特性、截面选择、设计计算方法以及 配筋构造等进行深入研究，为工程设计、施工提供指导。 现有的转换层设计方法，主要是针对形式简单、受力相对简单的转换梁，对于 受力复杂的转换梁还没有深入研究。即便是对于形式简单的转换梁，其受力性能也 没有完全清楚，而往往是互相混淆，设计概念不明确，设计原则不准确。对于转换 梁的配筋方法也限于用普通梁的配筋方法加以套用，造成转换梁截面超大、配筋偏 多、配筋狗存在无法实现、施工困难等现象。而对于厚板转换层的研究还相对较 少，其设计方法还是空缺，还没有一个统一、合理的设计方法指导工程设计人员进 行设计。 7 第一章绪论 在当前的结构设计中，有一种观念认为，结构构件的截面越大，配筋越多，刚 度越大越好。但实际上并不是这样，一个性能良好的结构，应该是刚度和延性的协 调统一。反映在转换层结构中，也并不是截面越大，刚度越大性能就越好。 1 5 本文的主要内容 从对框支剪力强结构体系中应用的转换层形式的统计资料来看，厚板转换层形 式的实际使用很少，这就是说这个方面的研究也不多。所以本文采用了“中远两湾 城”一期的框支剪力墙厚板结构体系转换层的方案，本文做了如下工作： 1 、转换层施工排架布置的优化。 2 、转换板开洞对抗弯能力的影响。 3 、转换板开洞对抗剪能力的影响。 第二章有限元法分祈结构转换层 2 。1 引言 第二章有限元法分析结构转换层 有限元法是根据变分原理求解数学物理问题的数值计算方法。目前已成为用计 算机求解复杂工程问题的一种十分普及的方法，可以求解许多用解析方法无法求解 的问题。从结构分析的角度来看，该法是矩阵代数算法中的矩阵位移法、矩阵力法 的推广。 在结构分析中，有限元的过程为：把一个连续的弹性体划分为有限个单元。对 每个单元给出满足连续条件的假定位移模式，然后从能量原理出发，建立起矩阵代 数方程。求解这一代数方程得到结构的位移及应力场等。正因为有限元分析过程是 把结构体系由无限自由度离散为有限自由度，才能将具有复杂的外形、边界条件的 结构用一系列每个形状比较简单、位移模式也比较简单的单元来表示，通过加密网 格的方法，可使离散单元体系在外形、边界条件上接近原实际结构，从而使数值解 通近真实解。 有限元法一经提出，便得到迅速发展，已在土木、建筑、水利、机械、航空工 程中得到广泛应用，目前已有大量的通用有限元软件，土木工程中常用的有 a n s y s 、e t a b s 、s a p 、a d i n a 等。本文采用了s a p 和a n s y s 。 2 2 s a p 2 2 1s a p 简介 s a p 是结构分析程序( s t r u c t u r a la n a l y s i sp r o g r a m ) 的英文缩写。s a p 程序作为 一个大型的结构分析有限元通用程序是由美国加州大学伯克利分校首先开发研制 的，其第一个版本完成于1 9 7 0 年，至今已发行到了啪2 0 0 0 版s a p 程序作为结 构静动力分析有限元通用程序，在国内现在已广泛地应用于航空航天、土木建筑、 机械、兵器等许多部门。s a p 8 4 及以后的版本除了能求解三维桁架杆单元、三维 梁单元、三维块体单元、薄板薄壳单元、平面应力、平面应变外，还能同时能进行 历程响应分析、响应谱分析、频率响应及塑性分析，并且有完普的图形前后处理功 能，支持网格的自动生成、节点带宽优化及图形显示等多种功能。s a p 程序还具 有相当丰富的单元库和功能库，可以对较为复杂的线弹性、弹塑性工程结构进行各 种功能的静、动力分析。 9 第二章有限元法分析结构转换层 s a p 的主要模块有： l 、结构分析的静力、动力、线性、非线性分析模块。 2 、板壳粱系统的屈曲分析，复合材料薄板和厚板的静、动力分析，随机振动 响应分析，频率响应分析，间隙元分析模块等。 3 、稳态和瞬态场的分析( 电场、温度、渗流场等) ，刚体运动学、动力学与仿 真分析，不可压缩性流体的流动分析，管道系统c a d 等模块。 2 2 2 使用s a p 2 0 0 0 对结构体系建模 s a p 2 0 0 0 有限元分析程序是新版的s a p ，为不同类型的结构构件提供了强有 为的模型建立功能，包括建筑物、桥梁、水坝、水箱等。它基于图形化界面的视 窗，完全与w 抽d o w $ 蹩合，除了自己的模型生成器外，还可以读取多种图形文 件，利用预设模块快速建立模型，将建立和修改模型、执行分析、检视结果及最优 化处理融为一体。利用$ a 1 吃0 0 0 建立的模型可从透视、平视等多角度、多视窗查 看。并任意缩放大小s a p 2 0 0 0 具有两种完全不同的模式：绘图和选项。当不处于绘 图模式下时，系统则默认为选项模式。在该模式下，用户可进行显示图形、分派指 令、设计分析、结果输出以及删除等多项操作。 s a p 2 0 0 0 有限元分析程序具有不同类型单元结构的动、静分析功能，有很强 的前后处理功能。前处理进行模型网格的划分，施加边界约束和各类荷载。计算分 析时，进行单元、节点编号，减少半带宽，优化计算。后处理给出了直观的应力、 位移分布图形和数据结果。s a p 2 0 0 0 的非线形增f 分析功能，可在构件的任何位孱 定义非线性塑性铰，并由用户自定或由方程式自动计算其性质，利用作用力或位移 控制，结果可显示于图形或输出表格。动力底反应谱或多重历时载重形式来模拟。 提供了e i g e n 和r s s 、c q c 和g m c 的振态组合方法。 2 3a n s y s 有限元分析的最终目的是要还原一个实际工程系统的数学行为特征，换句说分 析必须是针对一个物理原型的准确的数学模型。广义上讲，模型包括所有的节点， 单元，材料属性，实常数，边界条件，以及其他用来表现这个物理系统的特征。在 a n s y s 术语中，模型生成一般狭义地指用节点和单元表示空间体域及卖际系统连 接的生成过程。因此在这里讨论的模型生成指模型的节点和单元的几何构造。 a n s y s 程序为用户提供了下列模型生成的方法： 1 、用a n s y s 创建一个实体模型 l o 第二章有限元法分析结构转换层 2 、利用直接生成方法 3 、输入在计算机辅助设计( c a d ) 系统创建的模型 a n s y s 中建模的典型步骤 通常的建模过程应该遵循以下要点： 开始确定分析方案在开始进入a n s y s 之前首先确定分析目标，决定 模型采取什么样的基本形式，选择合适的单元类型，并考虑如何能建立适 当的网格密度。 进人前处理( p r e p 7 ) 开始建立模型，多数情况下，将利用实体建模创建 模型。 建立工作平面。 利用几何元素和布尔运算操作生成基本的几何形状。 激活适当的坐标系。 用自底向上方法生成其他实体，即先定义关键点，然后再生成线、面和 体。 用布尔运算或编号控制将各个独立的实体模型或适当的连接在一起。 生成单元属性表( 单元类型、实常数、材料属性和单元坐标系) 。 设置单元属性指针。 设置网格划分控制建立想要的网格密度，这个步骤并不总是必要的，因为 进入了a n s y s 程序有缺省设置单元尺寸存在。( 若需用自动网格划分功 能，此时应退出前处理( p i u 口7 ) ，激活自适应网格划分) 。 通过对实体模型划分网格来生成节点和单元。 在生成节点和单元之后，在定义面与顽的接触单元，自由度耦合及约束方 程等。 把模型数据存为j o b n a m e d b 。 退出前处理。 可以用两种方法来生成模型：实体建模和直接生成。对于实体建模，描述模型 的几何边界，建立对单元大小及形状的控制，然后令a n s y s 程序自动生成所有的 节点和单元。与之对比，用直接生成法，在定义a n s y s 实体模型之前，必须确定 每个节点的位置，及每个单元的大小、形状和连接。 尽管有些数据自动生成是可能的，直接生成方法基本上是依次转递的，这种方 法要求在建立有限元网格时记录所有的节点号。这种详细的记录对于大模型来说是 第二章有限元 击分析结构转换层 乏味的，并很可能出错。实体建模一般比直接生成方法更加有效和通用，是一般建 模的首选方法。 尽管实体建模有诸多优点，有时会碰到直接生成更方便的情形。可以在直接生 成与实体建模间方便地来回转换，对模型的不同部分采取适当的不同建模技术。 实体建模的优点： 对于庞大或复杂的模型，特别是对三维实体模型更合适。 相对而言需要处理的数据少一些。 容许对节点和单元不能进行的几何操作( 如拖拉和旋转) 。 支持使用面和体系梭索( 如多边形面和圆柱体) 及布尔运算( 相交、相减 等) 以顺序建立模型。 便于使用a n s y s 程序的优化设计功能。 是自适应髑格划分所需的 为便于施加载荷之后进行局部网格细化所要求的。( 实体模型加载也需要 如此) 。 便于几何上的改进。 便于改变单无类型，不受分析模型的限制。 实体建模的缺点： 有时需要大量的c p u 处理时问。 对小型，简单的模型有时很繁琐，比直接生成需要更多的数据 在特定的条件下可能会失败( 程序不能生成有限无网格) 直接生成的优点： 对小型或简单模型的生成较方便。 使用户对几伺形状及每个节点和单元的编号有完全的控帘 直接生成的缺点： 除最简单的模型外往往比较耗时，大量需要处理的数据可能令人难以忍 受。 不能用自适应网格划分。 使优化设计变得不方便。 改进网格划分十分困难。 可能是十分乏味的，需要留意网格划分的每一个细节；更容易出错。 从c a d 系统中的输入实体模型。代替在a n s y s 建模，可在c a d 系统中建模 并把它输入a n s y s 中进行分析。 第二章有限元法分析结构转换层 作。 它有如下优点： 避免了重复对现有c a d 模型的劳动而生成待分析的实体模型。 可以利用熟悉的工具去建模。 但是，从c a d 系统中输入的模型如果不适于网格划分则需要大量的修补工 第三章大开闻高层住宅板式转换体系施工优化分析 第三章大开问高层住宅板式转换体系施工优化分析 3 1 工程概况 中远两湾城属于市政府“两湾一宅旧区改造项目”，东起恒丰路，南沿苏州 河，西迄江宁路光复西路，北至轻轨明珠线，基地占地5 0 公顷，拟建1 6 0 万m 2 高 层住宅，分期分批实施建成。 中远两湾城一期工程位于整个基地的北侧，中潭路东西两侧。为营造一个美好 的居住环境，在4 9 5 公顷的土地上筑城1 6 0 万m 2 。在这个区域中，布置了6 万m 2 的中央花园，2 万m 2 中心绿地广场，1 5 万m 2 入口主题广场，以及三大绿化带， 1 8 0 0 m 长，1 6 m 宽的绿化带，8 0 0 m 长，2 4 m 宽的林荫大道，靠近北部明珠线有 1 8 0 0 m 长，1 5 m 宽的绿化隔离带。为了把这些绿化有机地联系起来，使每一幢楼都 融入这一大环境中，增加建筑物和室外的通透性。两湾城一期5 幢3 4 层点式高层 建筑的底层均采用大柱网劲性柱挑空或二层的转换层特殊结构。上部3 2 层的剪力 墙结构荷载均通过1 8 m 厚板的转换层，传送给若干劲性柱，再传递给2 m 厚的地 下室底板。这部分结构是整幢楼受力的咽喉部位，对施工提出了相当高的要求。 3 2 分析背景 转换层施工中，b 1 3 标已完成大底板浇捣，进入地下室一层外墙板、梁平台施 工准备阶段。此层层高平均约为3 2 m ，其中地下室顶板标高0 0 5 m ，厚2 0 0 m m ， 夹层板标高+ 3 8 5 0 m ，厚1 5 0 m m 。标高+ 8 9 5 0 m 的平台为转换层，板厚1 8 0 0 m m ， 总荷载远大于下部结构平台和普通排架体系的承载能力，故施工时考虑转换层荷载 的传递。 施工单位根据计算给出了如下施工方案：要求地下室排架掩工与转换层以下 ( 二层) 排架施工相同，并保证转换层至地下室的三层排架立杆位置上下对中、垂 直。地下室排架采用3 0 0 x 6 0 0 m m 间距。结构长度方向间距3 0 0 m m ，垂直长度方 向间距6 0 0 m m 。具体情况如图3 1 所示。 1 4 第三章大开闻高层住宅板式转换体系施工优化分析 图3 1 钢管支撑布置图 3 3 转换层旌工排架布置优化分析的目的 转换层厚板体最很大，为保障施工的质量与安全，施工单位架设了大量的钢管 脚手，并且一直延续到地下室结构底板，以转移厚板荷载。作为已经形成结构体系 的地下室是否能很好地发挥作用，承担部分荷载需要实测数据和理论分析的验证： 此外，随着结构转换层厚板混凝土的成熟，逐渐起到结构的作用，对于荷载的分配 起到什么作用，也值得深入研究。 为解决这个议题，课题组开展了实测和理论研究，以求优化排架布置，达到方 便施工、省时、省钱、省力、保障施工质量的目的。 3 4 分析内容 1 在转换层、夹板层及地下室顶板的排架上布置应变片，用以测量浇捣混凝土 后的排架受力情况。 2 在s a p 有限元分析软件中建立地下室顶板、夹层扳及转抉层板约计算模型， 第三章大开阃高层住宅板式转换体系掩工优化分析 采用线性分析程序，得出排架受力情况，并与测量值对比分析。 3 重新布置排架，用软件分析比较，选择最优方案。 3 5 转换层施工排架布置研究 3 。5 1 现场测试 监测内容：脚手管排架内力随混凝士浇注龄期的变化。 测点布置：( 1 ) 地下室顶板测点( 1 1 3 号) 布置如图2 ； ( 2 ) 夹层楼扳和 转换层板的测量位置与地下室项板在平面上相对应，编号分别为1 4 2 6 、2 7 - - 3 9 。 转换层模板搭设完毕后，开始布置测点；浇注施工前测取初读数。浇注完成后 再次读数；终凝后再次读数，以作为第1 天的数据。此后，读数时间定在第3 天、 第7 天( 实际第6 天) 、第1 4 天( 拆模板前) 。监测数据参见本章附图。 寓 曲 d 4 7 81 i 3 1 - 霉 3 1r_7 1 0 1 1 2 1 酊 j 2 6 1 9 o -昌 1 5 1 ，8 0 0 】8 0 06 0 0 4 2 0 0 4 。2 0 0 8 4 0 0 图2 钢管支撑测点布置图 1 6 第三章大开间高层住宅扳式转换体系施工优化分析 3 5 2 排架的结构受力分析研究 3 5 2 1 计算分析内容 计算过程如下：( 1 ) 地下室顶板层及夹层计算其在钢管集中力作用下的位移 应力值( 不考虑板自重) ，龄期分别为转换层浇筑的第0 天( 转换层浇筑完毕 时) ，第3 天，第6 天，第1 4 天；( 2 ) 测量值进行比较分析：( 3 ) 重新布置排 架，用软件分析比较，选择最优方案。 3 5 2 2 计算模型 ( 1 ) 计算范围 地下室顶板及夹层楼板模型取轴线l i 一1 5 a i i 一1 9 a 以及一b a i i - - c a 之 间的板块，尺寸分别为8 4 0 0 x 7 9 0 0 2 0 0 m m 和8 4 0 0 x 7 9 0 0 x1 5 0 m m 。根据板的支 撑钢管排布( 结构长度方向立杆间距3 0 0 m m ，垂煮长度方向立杆间距6 0 0 m m ) 对 板进行单元划分。底层板单元为3 0 0 x 6 0 0 l o o m m ，夹层楼板单元为3 0 0 ) 钢管支座 由钢管支撑提供的竖向支撑，作用于每个钢管位置处也即单元节点处。其弹簧 刚度采用咀下公式计算： 五= 是竽 第三章太开间高屡住宅扳式转换体系捕工优化分析 式中：k 一考虑钢管扣件及上下柔性垫片的冈4 度折减系数，取o 5 ； e s 一一钢管的弹性模量e ，= 2 x 1 0 “n m 2 ； 氏一一钢管的截面积，已知钢管外径为4 8 r a m ，壁厚为3 5 m m ，得： 4 = 4 ，8 9 x 1 0 。m 2 ； 1 一一钢管的长度。 转换板 1 3 l = 3 3 m 厶：ke ，, a , ；0 5 型生掣吐4 8 1 0 7 m 3 1 j 一 ，3 2 = 4 5 m 厶：七华姐5 型坠掣“0 9 x 1 0 7 饥 j 一 4 、 地下室顶板 ，l = 3 m f 。l = k 竿一o s 地掣“6 s 圳7 舳 夹层楼板 ，2 ；3 7 5 m 伽七警一o s 地掣一1 0 7 胁。 由予第二层板厚较小( 1 5 0 r a m ) ，所以板下梁的卸载较大，在主梁及次梁处 将梁的刚度折算加在钢管刚度上，并作用于相应的位置。 钢筋混凝土柱支座 采用相同的原理计算四周混凝土柱支座弹簧刚度。 转换层钢管混凝土柱 转换层钢管混凝土柱中钢管与混凝土之间的粘接强度随龄期而增大，拟用以_ 第三章 大开阔高层住宅板式转换体系施工优化分析 公式来得到支座刚度： 丘= 七坐铹坠 式中：c c 、算值为与时间有关的系数，分别代表t f f l 管与混凝土对柱刚度在不同龄期 的贡献。其取值按以下公式： 口= 詈1 0 吲。渤其它，群_ l o ； = 击o 8 ，5 ( o ，1 4 ) 其它，= o 8 ； 已知钢管为口7 0 0 2 0 m m ，所以 a 。=n - ( d 2 - d 2 ) ；! ：! ! ! 坐：二! ：堡! ：0 0 4 埘2 。 44 将上述取值代入，可分别得到4 个龄期的弹簧刚度： t = l 天时： 口= o 2 = 酉1 。8 = 。5 7 ； 小”坠型塑垒笔措型坠幽 = 4 1 9 x 1 0 7 n m t = 3 天时： a = 0 6f l = 云“n 8 = 0 1 7 1 厶3 = 1 3 4 1 0 8 n m t - - 6 天时： 删o f f = 吾o 8 - o 3 4 。6 = 3 6 9 x 1 0 。n m t = 1 4 天时： 口= 1 0 = 1 0 厶6 = 8 9 8 x 1 0 8 n m 第三章大开问高层住宅板式转换体系施工优化分析 地f 室琐板及夹层楼板混凝土柱 地下室顶板及夹层楼板混凝土柱在浇筑转换层时已达2 8 天龄期，其强度为 c 6 0 ，取e c = 3 6 x 1 0 1 0 n m 2 。柱截面取a c = k o 6 x o 6 m 2 ，k 为柱截面扩大系数， 取为1 5 。拟用板四周6 个节点( 2 x 3 ) 施加弹簧支座来模拟，所以上述公式改为： 待t 篙 地下室部分的柱体：i i = 3 m 小七筹乩，坐学= 1 o g x l 0 9 胁 夹层楼板的柱体 f 2 = 3 7 5 m 加七筹乩s 型掣一圳3 。 刚性支座 考虑混凝土板结构对称性简化，所以在该板四周添加了横向刚性支座。 ( 3 ) 荷载 转换层荷载 取其自重进行计算，混凝土密度为2 5 k n m 3 。 地下室及夹板 按上层钢管支撑应变值换算为力平均作用于节点上。公式为： f = s 。x e x a 。 表l 地下室及夹层板荷载取值 时问( 天) 0361 4 地下室荷载n ) 3 7 6 31 8 2 61 6 0 85 0 0 i 夹层荷载( n ) 7 3 4 94 1 9 12