某高层建筑厚板转换层的设计总结

1、某高层建筑厚板转换层的设计总结中南建筑设计院许敏陈兴关键词：平面设计竖向设计计算结果厚板转换层内容提要：介绍了某高层建筑为满足建筑功能的要求，在结构选型时所考虑的问题和采取的结构手段；并介绍了厚板转换层的设计和构造情况。 一、 工程简介武汉新长江“2008”工程项目总建筑面积约为10万m2。地面以上一栋二十六层写字楼，为框架-剪力墙结构；两栋三十层商住楼，总高度98.0m（局部106.0m），为带转换层的底部大空间框支剪力墙结构；裙房三层，为框架结构。写字楼地下室两层，商住楼和裙房地下室一层。本工程建筑结构安全等级为二级，合理使用年限为50年，所处地段场地土类别为类，场地土类型为中软

2、场地土，抗震设防烈度为6度，抗震设防类别为丙类建筑，设计基本地震加速度0.05g，设计地震分组为第一组；主楼基本风压值0.4kN/m2。商住楼抗震等级：地下一层至四层框支柱为一级，框架梁为二级；底部加强部位剪力墙(七层，标高28.400以下)为一级，其余剪力墙为三级。二、 结构选型两栋商住楼，转换层以下是商场，地下室是停车库，无论是从建筑的使用功能还是从视觉的美观考虑，转换层以下以布置成规则的框架轴网为最佳选择；转换层以上是住宅标准层，为了使室内简洁，不露梁、柱，采用承重墙与分隔墙合二为一的剪力墙结构，无疑是明智的选择。要使这两个最优方案协调起来，就是转换层要解决的问题。商住楼标准层平面如图1

3、所示，剖面图如图2所示，标准层的结构设计，除按概念设计的要求考虑平面规则性、楼板连续性、整体连接性外，还应考虑梁的截面高度和平面布置情况，从图2可看出，标准层层高只有2.9米，通常梁底净空高度不宜小于2.4米，考虑扣除建筑面层30mm，那么最大梁高只有470mm，相当于对梁的跨度提出了限制要求，标准层梁的布置经常会出现与剪力墙垂直相交的情况，较小的梁跨度有利于减小剪力墙平面外的弯矩；标准层梁的布置还应注意到不能穿越客厅和卧室，以得到最佳的空间效果。从图1可看出，标准层部分轴网相当复杂，与其下的大柱网商场轴网很难协调，若采用梁式转换，由于框支柱的布置要结合标准层的平面考虑，结果布置出来的柱位很零

4、乱，不便于地下车库和商场的使用，且出现了转换主梁托转换次梁，转换次梁再托转换次梁的不利情况；又尝试着先将框支柱网布置得略微规矩一些，再来调整标准层平面，由于标准层的剪力墙是落在框支梁上的，受框支梁位置的制约，标准层剪力墙的位置就要作调整，就会牵涉到户型和平面的变动，且出现了梁的跨度过大和梁穿越卧室、厅的情况，其结果，使得转换层上下的建筑功能都只是一个互相迁就的折衷方案，而不是最优方案。目前带转换层的高层建筑中，常用的结构型式是梁式转换，它的计算、分析比较简单，故成为结构工程师考虑转换层问题时的首选，但在工程实践中，结构工程师们发现，有些工程，建筑师们为了最大限度地追求建筑的平面功能性，设计出来

5、的方案，转换层上下竖向构件的轴网复杂，难以用梁直接承托，于是厚板转换应需而生。经与建筑师商量，并征得甲方的同意，本工程决定采用厚板式转换层。按厚板转换层方式调整后的第二栋商住楼二层建筑平面图如图3所示。 三、 结构的平面设计本工程平面布置时，地下室不设缝，为一个整体，考虑设置后浇带和加大配筋的办法来减少温度和混凝土收缩对结构的影响。上部结构设置了三条抗震缝，将上部结构分成了写字楼、商住楼一、商住楼二和裙房四个独立的单元。从图1和图3可看出，标准层部分的剪力墙核心筒只有楼梯间和电梯井筒可以落地，其他部分不能落地，核心筒横向(X)×纵向(Y)的尺寸为5.6m×10.8m，且核心

6、筒偏向左边，为了加强转换层以下部分的结构刚度，在转换层以下将核心筒横向尺寸扩大，因为房屋为长方形，横向刚度比纵向差，扩大核心筒横向尺寸后，不仅加强了横向刚度，还改善了核心筒的偏心情况，经与建筑师协商，结合楼梯的布置，将核心筒横向尺寸由5.6m扩大到约12m，形成了一个12m×10.8m的核心筒；另外，在房屋的四个角部设置了“L”形的剪力墙，既提高了转换层以下结构两个方向的抗推刚度，也提高了整个结构的抗扭转能力。平面设计时还应考虑落地剪力墙的间距， 商住楼一转换层以下落地墙间距小于20米，满足“高规”第.6条要求；商住楼二转换层以下落地墙间距Y36轴至X轴为23.1米，略大于20米，考

7、虑到转换层为厚板，比一般的梁式转换层板厚180250mm要大得多，楼板刚度很大，足以使转换层上部的剪力能有效地传递给落地剪力墙。转换层以上由厚板承托的剪力墙厚度为200mm，由于短肢剪力墙的抗震性能较差，规范要求的最小配筋率很高(“高规”第7.1.2.6条)，且短肢剪力墙的构造要求更严格(“高规”第7.1.2.3条)，故设计时取墙主肢的长度不小于1600mm(即8倍的墙厚)，尽量避免出现短肢剪力墙，有少数剪力墙，受建筑门窗位置的限制而形成了短肢剪力墙的，则按短肢剪力墙的有关规定设计；剪力墙尽量带翼缘，尤其是边角部位的剪力墙更应带翼缘，一字形剪力墙因平面外稳定性不好，只布置在墙平面外的两侧均有楼

8、板连接的中间部位。四、 结构的竖向设计两栋商住楼为使结构沿竖向刚度变化不过于悬殊，避免刚度突变而形成薄弱层，设计时采取了以下措施： 1、调整转换层上、下的剪力墙厚度。四个角部设置的“L”形剪力墙厚度为400mm；核心筒剪力墙转换层以下墙厚为350mm，转换层以上墙厚为250mm；转换层以上由厚板承托的剪力墙厚度均为200mm，在满足墙主肢长度不小于1600mm且与之连接的梁的跨度不太大的前提下，尽量减小剪力墙的长度，用梁托填充墙来代替剪力墙。2、尽可能减小转换层层高。转换层厚板的厚度通常由抗剪、抗冲切强度控制，采取框支柱支座加腋的办法降低厚板的厚度，从而减小转换层层高。3、加大转换层上一层的层

9、高。初步设计时转换层以上标准层的层高均为2.9米，施工图设计时经与建筑专业协商，将转换层的上一层层高改为3.1米，再以上的标准层层高仍为2.9米。4、电算时， 转换层上、下两层的层高不是按建筑剖面图的尺寸输入，而是将厚板的板厚均分给与其相邻两层的层高，由此可见，厚板转换层比梁式转换层的层高变化要均匀一些，亦即竖向刚度变化也要均匀一些。五、 主要的计算结果本工程采用由中国建筑科学研究院PKPMCAD 工程部编制的高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE(版本2003/05)程序进行计算。两栋商住楼标准层平面有局部凹入和开洞，计算时将有关部位的楼板定义为弹性膜，这样程序会真实地计算楼板平面内

10、刚度，地震作用计算采用总刚分析方法。计算时，以地下室顶板作为上部结构嵌固部位。初次计算时，取水平力与整体坐标夹角(度)ARF=0，程序输出结果告知地震作用的最大方向角(度)为ARF=2.3，改ARF=2.3重新计算，得到的地震作用时最不利方向的基底剪力、倾覆弯矩均比ARF=0时大。1. 周期控制商住楼二结构扭转为主的第一自振周期Tt=2.15秒，平动为主的第一自振周期T1=2.75秒，Tt/T1=0.78<0.85，满足“高规”第4.3.5条的要求。2. SATWE最大楼层层间位移u/h(相应于某一节点)：地震作用下风荷载作用下ARF=0ARF=2.3ARF=0ARF=2.3商住楼二X方

11、向1/28511/2881X方向1/19271/1915Y方向1/34891/3450Y方向1/54981/5142以上层间位移u/h计算值为考虑扭转耦联影响后相应于某一层某一节点的最大值。“高规”表限值为1/800，以上结果均满足要求。3. SATWE楼层最大位移与层平均位移比值的最大值：地震作用下风荷载作用下ARF=0ARF=2.3ARF=0ARF=2.3商住楼二X方向1.101.10X方向1.061.05Y方向1.161.18Y方向1.051.06“高规”第条限值为1.4，以上结果均满足要求。4. SATWE最大层间位移与平均层间位移比值的最大值：地震作用下风荷载作用下ARF=0ARF=

12、2.3ARF=0ARF=2.3商住楼二X方向1.121.11X方向1.071.08Y方向1.201.20Y方向1.101.10“高规”第条限值为1.4，以上结果均满足要求。5. 以Rx、Ry分别表示 X、Y方向地下室层侧移刚度与地上一层侧移刚度的比值。两栋楼的Rx、Ry均大于2，满足“高规”第5.3.7条要求，说明以地下室顶板作为上部结构嵌固部位是合适的。6. 以地下室顶板作为上部结构嵌固端，两栋住宅楼的计算表明，转换层及下部结构(1至4层)的等效侧向刚度比转换层及上部部分结构(5至10层)的等效侧向刚度还要大，满足“高规”附录E第E.0.2条转换层上、下结构的等效侧向刚度比不大于1.3的要求

13、，分析原因，主要是由于转换层以下中心筒及四角的剪力墙刚度很大；转换层上一层的侧向刚度与转换层的侧向刚度比，两个方向均小于1.05， 满足“高规”附录E第E.0.2条转换层的侧向刚度不应小于相邻上部楼层侧向刚度的60%的要求。 7. 结构稳定及重力二阶效应验算两栋楼的结构刚重比EJd/GH2均大于1.4，能够通过“高规”第5.4.4条的整体稳定验算。两栋楼的结构刚重比EJd/GH2均大于2.7，可以不考虑重力二阶效应(见“高规”第5.4.1条)。8. 两栋商住楼有转换层，属于复杂高层建筑结构，按“高规”第5.1.13条的要求，又用由中国建筑科学研究院编制的多层及高层建筑结构三维分析与设计软件TA

14、T(版本2003/05)程序进行计算，有关的计算指标均满足规范要求。9. 两栋商住楼有转换层，属于复杂高层建筑结构，按“高规”第5.1.13条的要求， 用SATWE程序对结构进行了弹性动力时程分析，取地面运动最大加速度为18gal，结构的阻尼比为5%。选取了三条地震波：TAF-2(Taft波)、LAN4-2(兰州人工波)和该场地的人工合成波。前两条地震波为SATWE程序里自带的， 场地土类别为类，平均周期均为Tg=0.30.4秒；第三条地震波为武汉地震工程研究院提供的该场地的人工合成波。有关的计算指标均满足规范要求。六、 转换层厚板的设计厚板的内力分析及配筋计算采用两个方法进行，一个是按交叉梁

15、系计算，另一个是用SATWE程序附带的“转换层厚板有限元分析”程序(FEQ-SLAB)。本工程最大框支柱距7米，板厚采用1.6米，为最大柱距的1/4.4，厚板混凝土强度等级为C40，在中间柱纵横轴网方向设暗梁AL1，板端(即周边)设暗梁AL2，暗梁宽度1.8米，约为柱距的1/4。AL2比AL1腰筋配得更多一些，主要是考虑到加强板边缘构件的抗扭能力，和防止厚板的板端沿厚度方向产生层状水平裂缝，楼梯间和电梯井筒的周围也按板端考虑，设置AL2(见图4)。 厚板应满足抗弯、抗剪、抗冲切的要求，抗冲切计算除应考虑框支柱对厚板的冲切外，还应考虑厚板上的剪力墙对厚板的冲切。框支柱对厚板的冲切应考虑梁箍筋的作

16、用；厚板上的剪力墙对厚板的冲切通常只考虑混凝土的作用，由板的厚度控制。厚板自重较大，属大体积混凝土，如采用一次性浇灌混凝土，模板支撑难度较大，水化热引起的温度应力也较大，故考虑厚板分两层进行施工，第一次施工板下部的700mm厚，待混凝土强度达到70%时再施工板上部的900mm厚，上、下部分交界处(即水平施工缝处)，除水平设置两层14150(双向)钢筋网外，还竖向设置25600(双向)拉筋(兼做抗冲切筋用)，并设置剪力墩(见图8)，以利抗剪。竖向拉筋采用粗筋稀布，主要是考虑到施工人员在第一层板上的行走方便，暗梁区域由于有箍筋的存在，可不设该拉筋。以边柱为例，计算框支柱对厚板的冲切，从电算第6层柱

17、轴压比和柱编号图可知，边柱以25号柱轴力最大，查SATWE配筋、验算输出文件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.-组合(1)为1.35D+0.98L。冲切计算见混凝土结构设计规范(GB50010-2002)第条和第7.7.1条。厚板厚度1600mm，混凝土强度等级C40。由于建筑结构安全等级为二级，故取0=1。厚板有效计算高度h0=1600-100=1500 (mm)冲切破坏锥体下边为正方形，下边边长为0.9m，上边为长方形，上边边长为(0.9+2×1.5)×(0.9+0.2(厚板边距柱边挑出200mm)+1.5)=3.9m×2.6m，冲切破坏锥体上边面积为3.9×2.6=10.1m2。厚板面恒载47 kN/m2 ，厚板面活载2 kN/m2面载设计值1.2×47+1.4×2=59.2 kN/m2Fl=13850-10.1×59.2=13252 kNft=1.71N/mm2；s=2；s=30；边柱的冲切临界截面周长只能考虑三边。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)=