高层建筑中转换厚板的受力特性分析

1、高层建筑中转换厚板的受力特性分析1 前言高层建筑中采用厚板转换层可以实现转换层上、 下结构形式的转换，给建筑空间的灵活布置带来许多方便。 特别是对续建和改扩建工程，具有现实意义。虽然，现有的 商用结构分析软件在功能方面比较完善，但要想实现转换厚 板较精确的有限元分析仍存在一定的难度。特别是在水平地 震作用下，对转换厚板的内力、以及地震剪力在其传递路径 的理论和实验研究还较少，不能对类似的工程设计提供参考， 所以在 7 度和 7 度以上地震区的应用受到一定限制。 本文结 合一高层建筑厚板转换层的实际工程，采用组合空间有限元 来分析厚板转换层结构，对厚板的受力特性和设计方法进行 探讨，以便为抗震设

2、防区转换厚板的运用提供理论分析依据。 该工程原设计为框筒结构型式写字楼，地下部分已建成多 年。为适应当前房屋建筑功能的要求，必须对原有设计进行 调整，需将上部改为剪力墙结构体系。调整后，上部结构剪 力墙的布置与下部柱网、以及剪力墙轴线多数不重合，若采 用梁式转换易形成多次转换，因而，本工程转换层的结构形 式采用板式转换。本建筑为大底盘多塔楼的建筑群，上部有 三个不同高度的塔楼 （建筑正立面见图 1） ，形成 W 型平面。转换层下部大底盘为框架剪力墙结构 ;转换层上部塔楼为剪力墙结构。转换层设置在地上 2 层，转换板厚分别为 1.8m 和 1.5m ，转换板上承托层数分别为 28 层、 21 层

3、和 16 层。转换层以下结构连成整体，上部各塔楼 间设置净宽为 200mm 的抗震缝。各塔楼以及相应的下部结 构布置形式基本一致，其中最高塔楼的转换层结构布置如图 2 所示， 其中实线为转换层下部的框支柱、剪力墙，虚线为转换层上 部的剪力墙。每一塔楼转换板下仅有四根框支柱，其他部位 为落地剪力墙。该建筑抗震设防烈度为 7 度，设计基本地震 加速度值为0.15g，设计地震分组为第一组，类场地。基本风压为 0.95kN/m2 。 2 结构计算模型一般情况下，在对厚 板转换层结构进行有限元分析时，均对厚板进行简化，将其 模拟为梁单元、中厚板单元或壳单元。这样的简化虽然对结 构整体设计指标影响较小，但

4、对转换板本身内力的影响是显 著的。为了较精确分析转换板的受力特性，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。这样处理未对转换板的边界条件作任何简化， 同时与转换板相连的竖向构件在计算长度上也符合实际情 况。整体结构分析采用 ANSYS 软件。在建模时，转换厚板 采用实体单元， 每个节点含有三个未知数 ;剪力墙和楼板采用 壳单元， 每个节点含有六个未知数 ;框支柱和普通梁采用三维 空间线单元，每个节点含有六个未知数。结构竖向构件和转 换板在单元划分时，将单元长边尺寸控制在 1.0m 以内 ;考虑 到楼板对整体结构侧向刚度贡献有限，将楼板单元长边尺寸控制在

5、1.0m2.0m范围内。在弹性分析时，所有单元材料均按混凝土材料考虑。建模后单元网格和转换板实体单元网 格如图 3 和图 4 所示。3 转换厚板变形分析在竖向荷载作用下，转换板的变形大 小将直接影响到建筑物的正常使用。若转换板的变形过大， 对承托在转换板上的框支剪力墙也具有一定的影响。然而， 相关规范和规程对这些特殊的转换构件均未明确规定其挠 度限值。显然，这些转换构件不能按照普通的受弯构件来设 计，设计者往往凭借经验选取一个较保守的挠度限值或干脆 不对此项进行验算。在各种工况下，计算程序均能给出转换 板的弹性位移值。在恒载和 y 向地震作用下，转换板的竖向 变形分别见图5a、图5b ,图中位

6、移单位为 m。对其变形图分析如下：(1)在恒载作用下， 框支柱和落地剪力墙部位的转换板竖向变形较为均匀，不存 在竖向刚度明显较弱的部位 ;(2) 在恒载作用下，较大的竖向 位移均出现在大跨度转换板的跨中部位，而在水平地震作用 下，较大的竖向位移均出现在边跨的外端、大跨度转换板的 跨中部位 ;(3)在恒载作用下，转换板上最大竖向位移发生在 框支柱与核心筒相连轴线上的大板跨中部位，并且位于悬挑 处，其最大竖向位移为 2.122mm; 而在 y 向地震作用下，转 换板上最大竖向位移发生在框支柱外侧的悬挑板处，其最大位移为0.569mm ,其值为恒载最大值的 0.268倍。若与相同 部位的位移相比，其

7、值为恒载位移的0.429倍。这表明水平地震作用引起转换板的竖向位移还是可观的，设计时应考虑 其不利影响。转换板挠度可近似参照规范提供的梁挠度公式 进行验算，选取一定宽度的板带按梁截面的条件来计算转换 板挠度。依据恒载作用下最大的弹性位移所在的位置来选取 梁的跨度和截面。所选取的板带在瑐瑦轴线上，截面bx h=2950mnK 1800mm 计算跨度l=8800mm。跨中区段内荷载效应标准组合的最大弯矩Mk、准永久组合的弯矩 Mq分别为4937.7kN m 4628.9kN m 板带上、下部纵向钢筋 的配筋率分别取 0.3%和0.5%，其种类为HRB400级钢筋。 厚板混凝土强度等级为 C40。正

8、常使用极限状态下，有限元 分析得到板带的弹性挠度为2.431mm。根据以上条件，按规范计算得到板带的挠度为7.717mm，相对挠度为1/1140 ,板带的刚度仅为弹性刚度的0.315倍。对于这种转换构件显然不能采用普通受弯构件的挠度限值来控制其竖向变形，否 则框支剪力墙就不能发挥它的正常作用。由于转换构件变形 过大，将会导致框支剪力墙的抗侧刚度大大降低，使得地震 作用分析时的抗侧体系由于附加较大变形而发生改变，因而， 有必要从严控制转换构件的挠度。在现阶段，还未对转换构 件挠度限值进行深入研究的情况下，可参考规程对层间位移 角限值的规定，把转换构件以及承托的框支剪力墙一起看成卧倒的剪力墙”，其

9、限值可取为转换板计算跨度的 1/1000这一参考限值在实际工程的运用还是比较合理和经济的。4 转换厚板应力和内力分析转换板在结构中起着承上启下 的作用，其力学特性受多种因素的影响，因而，转换板自身 的受力状态复杂。转换板的应力分布除受转换板的厚度、支 撑点布置，以及上部框支剪力墙的位置影响外，还受结构构 件空间相互作用的影响。结构构件的空间相互作用也会改变 转换板的局部受力状态。在采用体单元模拟转换板时，有限 元计算结果可给出各种工况下的应力图。这些应力图可较直 观地反映板中应力大小的分布和应力集中的程度。在竖向荷 载、风荷载和水平地震作用下，转换板的应力有着各自的分 布规律，图 6 给出恒载

10、和 x 向地震作用下转换板上表面正应 力a y、& x，图中应力单位为N/m2。对各工况下转换板的应力分布分析如下:(1) 在恒载、活载作用下，转换板中应力较大部位主要集中在大板的跨中、下部 竖向构件支座处，以及上部框支剪力墙所在的部位。在恒载 作用下，各种应力最大值均在 10.0N/mm2 以内。 (2)在风荷 载作用下，框支柱与核心筒间的转换大板应力明显较大。由 于转换大板上布置了两个方向的剪力墙，任何方向风荷载作 用下，大板均处于不利的受力状态。在 x 向风荷载作用下， 大板两边的悬挑部分受力最不利 ;在 y 向风荷载作用下， 大板 跨中部分受力最不利。 (3)在水平地震作用下，

11、 转换板上抗侧 构件布置的区域处于不利的受力状态，特别是框支剪力墙布 置在转换板的跨中部位。由于框支剪力墙上的地震剪力需通 过转换板平面内的受剪作用，才能将此部分剪力传递到转换 板下框支层的抗侧力构件 (框支柱和落地剪力墙 )上。虽然转 换板上各种工况下的应力图比较直观，但用它来进行截面配 筋计算和转换板受力特性分析仍有许多不方便之处。为此对 转换板中具有一定受力代表性的区域进行板带划分，并相应 统计该板带上三个截面的内力数值。本文给出了五跨具有代 表性的板带内力来分析转换板的受力特性。板带各工况下内 力标准值见表 1，表中数值为 1m 宽板带的内力数值，弯矩 单位为kN m剪力单位为kN，各

12、板带分布见图 2。对表1 中数据分析如下 :(1)由框支柱支撑的板带 KL1KL3具有明显的柱上板带受 力特性，在恒载作用下，两端支座截面为负弯矩，跨中截面 为正弯矩。而由落地剪力墙支撑的板带 KL4、KL5 表现出双 向板的受力特性， 墙支座作用效果明显。 (2)在各向风荷载和 水平地震作用下，所选取的板带均处于不利的受力状态，板 带 KL1 、KL3 表现的尤为突出。当水平荷载作用方向与跨度 方向相垂直时，板带仍然受力较大。这表明，转换板上框支 剪力墙的布置对其受力影响较大，在任何一种工况作用下， 转换板均处于一种复杂的三维受力状态，因而，在设计时， 应充分考虑到各种工况的组合。(3)与板

13、带 KL1 相连的角柱 上方布置了较多的框支剪力墙，使得在水平地震作用下板带 KL1 左端分配了较多的地震剪力。从而增加了角柱的附加轴 力，这样对角柱受力更加不利。 (4) 从有限元的计算结果可看 出，转换板和框支剪力墙共同作用的效果明显。 板带 KL2 的 右端布置了较长的框支剪力墙，该墙分担了较多弯矩，致使 板带上计算的弯矩明显减小， 而剪力分配不具有此特点。 5 结论本文对整体结构在各种工况作用下的组合有限元计算 分析，给出体单元模拟下转换厚板的变形和应力，统计出转 换板中具有一定受力代表性的板带内力，并对转换厚板的受 力特性和设计方法进行了探讨和总结。同时，本文的分析结 果已用于实际工程厚板的设计。经过理论分析和实际应用所 得出的结论和建议如下 :(1) 随着 PC 计算机和有限元分析软 件的发展，从理论上对厚板转换构件进行较精确的计算分析 已能够实现。 (2) 转换板无论是在静荷载作用下， 还是在水平 地震作用下，均处于复杂的受力状态。虽然