海口某高层复杂连体结构实例的结构措施及楼板应力分析

海口某高层复杂连体结构实例的结构措施及楼板应力分析

冯孔

深圳华森建筑与工程设计顾问有限公司海南分公司   海南省  海口市 570125

摘  要

本文尝试通过以海南省海口市某个高层大跨度连接体钢结构实际工程项目为例，浅谈在高烈度区根据本项目结构特点选取合适的结构体系和结构楼盖，以及关键楼板的楼板应力分析。

关键词：连体结构；钢筋桁架楼承板；地震；楼板应力分析

1 工程概况

本项目位于中国自由贸易试验区—海口江东新区。地下一层为食堂、车库及设备用房，地下二层为车库和设备用房，地下二层局部为人防。其立面、平面概况详见表1-1。

表1-1立面、平面概况表

图1-1 主体结构模型示意图

2 地震作用

2.1 场地地震效应

根据本工程的岩土工程勘察报告及《建筑抗震设计规范》〔GB50011-2010（2016年版）〕，场地土属于软弱土，而建筑的场地类别为Ⅱ类，设计特征周期取0.40s。建筑场地抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速值为 0.30g，设计地震分组为第二组。

2.2 主要设计参数及指标

根据《建筑抗震设计规范》〔GB50011-2010（2016版）〕，对于主塔楼的结构分析参数以及设计采用的建筑物分类等参数如下表2.2-1：

表2.2-1 结构计算分析输入参数

注：根据《钢管混凝土结构技术规程》(GB50936-2014)的第4.3.9条，本工程多遇地震阻尼比按0.04取值。

3 结构体系

3.1 简述

结构体系选型必须基于有效、安全、高性价比的原则，需考虑的问题包括以下几点：

（1）结构体系的抗震性能；

（2）连接体部分的传力路径明确，并拥有足够的刚度；

（3）结构的可建性，以及每层的施工周期；

（4）造价合理。

本工程裙楼5层，主楼8层，两者在3~5层相连，结合建筑及业主的意见，两者之间不设缝。连接体部分的平面呈折角形（角度为115°），根据建筑的功能和立面需要，在连接体两侧设置跨层桁架，分别连接至裙楼和主楼的框架上，并各自向裙楼和主楼各延伸一跨。

图3-1 连接体的部分结构平面布置图

本工程裙楼和主楼均采用钢框架和中心支撑共同承担风力和地震力产生的水平荷载。防屈曲支撑(BRB)的设置，给结构提供了必要的侧向刚度，满足层间位移的要求，并达到在设防地震和罕遇地震作用下耗能的目的。综合考虑到抗震性能要求，本工程采用钢框架-中心支撑的结构体系。

防屈曲支撑（BRB）具体数量的确定，主要以原结构各层间剪力和位移角作为依据。

钢框架

中心支撑

连接体跨层桁架

图3-2 结构体系构架示意图

图3-3 结构布置三维示意图

4 梁板结构

主体结构楼板体系的确定，与整个建筑物的结构体系、平面功能布置、机电综合要求、尤其是层高净高要求密切相关。考虑到了本项目工程的进度要求和其框架-支撑结构体系特性，有下列的四点成为了决定楼板体系的关键影响因素：

本项目设防烈度较高，楼板质量应尽量轻，可以减轻抗侧结构体系的用钢量及工程造价压力。

而建筑对净高的要求，也使得在楼板体系中对结构自身的高度有一定限制，也必须与机电专业、建筑专业合理的协调。

与钢框架-中心支撑的结构体系相匹配，施工方便，进度快。

综上，所有楼板均采用钢筋桁架楼承板，典型楼板厚度为120mm；连接体部位由于跨层桁架的存在，并需要通过楼板对裙楼和主楼的变形进行协调，对该部分的楼板加厚至150mm。

钢梁不仅可以有效的减轻主体结构的整体重量，同事也便于施工，且与钢管混凝土柱的连接较好。此外，钢梁上翼缘的焊钉也使楼板与钢梁能够紧密地结合，形成组合楼板，减低用钢量与工程造价。

图4-1钢筋桁架楼承板示意图         图4-2钢梁腹板开洞通过机电管线

5 分块无限刚的位移指标统计情况

采用YJK对整个楼采用分块无限刚的设计方法复核位移比

分析方法：把裙房和塔楼平面指定为刚性楼盖分别为D1和D2，桁架连廊部分指定为弹性楼盖，统计D1和D2的位移比，取正偏心和负偏心的最大值统计成上图所示。

结果分析：从《分块无限刚位移比统计图》中可看出，裙房1，2，3、4层X向位移比均大于1.3，最大值不超过1.6。结合前文分析可知，按全楼平面无限刚统计的位移比相对分块无限刚统计的位移比偏大很多。根据《分块无限刚位移比统计图》，裙房的层间位移比仍存在大于1.5的情况，在水平荷载作用下可能会出现楼板变形差太大，楼板整体性差，导致楼板被拉坏的情况发生。针对此情况，以下对楼板应力分析将对楼板进行性能设计。

6 关键楼板应力

6.1 楼面系统设计性能目标

楼板对传递水平力起到关键作用，在小震作用下，楼板与楼面梁共同作用，处于弹性状态.在设防地震作用下，大部分砼结构楼板应做到保证不开裂，但局部的薄弱部位允许一定量的开裂，而开裂时混凝土就退出工作，此时的楼板拉应力就主要由钢筋来承担。

表6.1-1 关键楼板设计性能目标

6.2 设计方法及分析结果

本项目为复杂连体结构，楼板在水平荷载作用下自始至终地在传递和分配水平力， 有效的协调同一楼层中的相关竖向构件的变形，将产生较大的楼板平面内轴力，在结构设计中必须加以考虑。本节楼板应力分析考虑水平、竖向地震参与楼板强度计算，设计荷载组合如表12.1所示。地震作用选取小震反应谱（回填时程分析平均值放大系数）、中震包络设计。

6.2.1 计算模拟及关键楼板所在位置

楼板应力计算分析采用YJK盈建科结构计算软件，根据结构平面楼板采用壳单元进行模拟，单元划分尺寸控制1.0m左右，尽量多地采用四边形单元而，而少用三角形单元对结构楼板进行精细化的网格剖分。连接楼板平面内应力分析是一个平面应力问题。对于非杆系的三维、二维结构，则可采用有限元分析、弹性理论分析或者试验方法来确定其工作时的弹性应力分布情况，最后依据楼板的主拉应力图面积来确定所楼板钢筋布置的原则和配筋量，采用主拉力进行设计计算，使关键楼板满足抗震设防目标。

从以上分析结果可得知，在多遇地震工况下，楼板拉力最大值出现在在3层、6层的桁架端部，均值为300~400N/mm，拉力在5层分部范围较大，均值为100~200N/mm；在设防地震工况下，楼板拉力最大值出现在3层。施工图设计时，拉通钢筋采用双层双向全截面配筋量不少于400mm2/m（拉通钢筋配筋率0.27%），以抵消桁架空间受力引起的楼板应力，楼板的受弯钢筋按弯矩计算结果进行附加。

6.2.2 计算结果

7 结论

本项目主体设计是在整体结构概念框架之下，进行计算分析论证和设计，以此编制了抗震超限设计可行性论证报告，并于2021年4月中旬通过了专家论证，以此也从侧面证明了本工程结构的结构体系、带有针对性的抗震加强措施能够满足预先设定的抗震性能目标和使用功能的要求。

参考文献：

[1] 《建筑结构可靠度设计统一标准》        GB 50068-2018

[2] 《建筑工程抗震设防分类标准》          GB 50223-2008

[3] 《建筑结构荷载规范》                  GB 50009-2012

[4] 《建筑抗震设计规范》                  GB 50011-2010（2016版）

[5] 《混凝土结构设计规范》                GB 50010-2010（2015版）

[6] 《高层建筑混凝土结构技术规程》        JGJ 3-2010

[7] 《组合结构设计规范》                  JGJ 138-2016

[8] 《钢结构设计标准》                    GB 50017-2017

[9] 《钢管混凝土结构技术规范》            GB 50936-2014

[10]《高层民用建筑钢结构技术规程》       JGJ 99-2015