1、高烈度区转换厚板可行性研究摘要：厚板转换是一种在高层建筑中对抗震非常不利的复杂结构体系，本文针对天津市区一栋厚板转换高层建筑进行数值模拟研究，通过有限元 ansys 软件对转换层厚板进行小震弹性和大震不屈服分析，得到转换厚板在两种工况下的混凝土和钢筋的应力状态，定量分析厚板的工作性能状态，探讨在高烈度地区钢筋混凝土剪力墙结构采用厚板转换的可行性。 关键词：转换层；厚板转换；有限元模拟；小震弹性；大震不屈服；ansys 数值模拟 中图分类号：TP62+2 文献标识码： A 1.引言 近些年来，由于工程设计和施工技术的不断改善，人们对建筑物功能的要求不断提高，空间使用上的多层次、多功能要求，使得综
2、合化大厦应运而生，而建筑的这种多元化发展，使得结构在竖向必须具有不同的柱网及墙体布置，上部小空间，下部大空间，而在大、小空间衔接处就需设置结构转换层，厚板转换就是其中的一种转换形式。 从结构上讲，厚板转换是一种对抗震非常不利的复杂结构体系。目前，在大多数厚板转换工程中，由于转换厚板的厚度很大，在转换层集中了相当大的质量，地震作用下，震动性能十分复杂。同时，转换厚板刚度很大，而上下层刚度相对较小，造成转换层处结构的上、下层侧向刚度均突变，使结构受力很不合理，塑性铰将首先出现在应力集中严重的部位竖向构件与转换厚板相交处附近，容易产生薄弱层，使厚板转换层的上、下层构件承受很大剪力而导致脆性破坏。 总
3、之，目前国内对于厚板转换的计算分析和试验研究都较小，转换厚板结构的受力性能破坏机理尚不十分清楚，因此就本文旨在探讨在高烈度地区钢筋混凝土剪力墙结构采用厚板转换的可行性。 2.工程概况 本工程拟位于天津市区，地面以上 23 层，地面以下 2 层，结构地面以上至檐口总高度为 78.650 米，建筑面积 1.59 万平方米，其中地上建筑面积 1.46 万平方米，地下建筑面积 0.13 万平方米，地下二层层高3.9m，地下一层层高 3.8m，首层 5.0m，二层 6.0m，标准层 3.2m，结构平面尺寸为 25.2m25.2m。本结构为钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系。地面以上为独立结构单元，其周围无任
4、何裙房及附属结构，有利于结构抗震设计。 结构与地下部分在地下二层和地下一层相连。其建筑首层楼面与周围地下室连成一体，典型结构布置如下： 首层平面布置图 二层平面（厚板转换层）布置图 标准层平面布置图 结构整体计算模型图 3.结构设计参数 工程结构设计使用年限为 50 年，结构安全等级为一级，地基基础设计等级为甲级，塔楼抗震设防类别为乙类，抗震设防烈度为 7 度，设计基本地震加速度值为 0.15g，特征周期为 0.55s，地震分组为第二组，建筑场地类别为类。安评报告提供的小、中、大震三水准地震影响系数最大值分别为 0.12,0.34,0.72。场地风压取重现期为 100 年的风压值，基本风压取
5、0.6kPa，场地粗糙度类别为 C 类。 4 有限元模型建立 4.1 材料的本构关系 （1）混凝土的本构关系 本工程中混凝土的本构关系，单轴应力应变关系上升段采用GB50010-2010 规定的公式，下降段采用 Hongnestad 的处理方法，即： 当时， 当时， 按照规范计算和规定可分别求得，n=2、=0.002、=0.0033，上述曲线可以用一系列数据点你和以便输入，此处采用多线性等向强化模型MISO 模拟。 混凝土的本构关系曲线钢筋本构关系曲线 （2）钢筋的本构关系 钢筋的应力应变关系可采用理想弹塑性模型，为帮助收敛也可采用具有强化阶段的弹塑性模型，这里采用双线性等向强化模型 BISO
6、 模拟。 4.2 材料的破坏准则 混凝土的破坏准则是在试验的基础上，考虑到混凝土的特点而求出来的，从单参数到五参数，混凝土的破坏准则多达数十个模型。其中ANSYS 中的 Solid65 单元便是采用了 Willam-Wamker 五参数破坏准则和拉应力准则的组合模式，能够较好的反映出混凝土的破坏特性，多轴应力状态下破坏准则可表达为： 4.3 厚板有限元模型 建模截取厚板及其上下层的构件，厚板上层墙肢构件用以施加荷载，厚板下部框架柱用以施加约束。在软件中，先分别建立厚板及上下部构件，再利用软件中强大的布尔运算功能将模型连接起来，由于 solid65单元需要设置钢筋在三个方向上的体积配筋率，所以要
7、求单元只能是正六面体，而对于自由划分的四面体单元不能正确运算，因此就必须对整个几何模型进行多次的切分，使其转换成规则的立方体结构后，才能对整个几何模型进行映射网格划分，生成有限元模型，完成后的有限元分析模型如图所示。 有限元模型图模型钢筋分布示意图 5. 小震下厚板受力性能的有限元模拟 高层建筑混凝土结构技术规程 （JGJ3-2010）中规定，转换厚板受弯纵向钢筋可沿转换板上、下部双层双向配置，每个方向总配筋率不宜小于 0.6%，本工程拟对 1.6m 转换厚板上下配置 E25100 双层双向钢筋网，厚板单侧受力钢筋的体积配筋率为 0.3%，在此基础上，对厚板在小震下的受力性能进行分析，分析结果
8、如下： 节点位移图混凝土应力图 板上皮 X 向受压钢筋应力图板上皮 Y 向受压钢筋应力图 板下皮 X 向受拉钢筋应力图板下皮 Y 向受拉钢筋应力图 通过对厚板在小震作用下的分析可以清楚的看到，转换厚板的受力均能满足要求。其中，结构厚板在上部转换墙肢处的应力最大，混凝土应力为 19.08MP，钢筋应力为 256MP，均小于材料的承载力。综上，此工程中转换厚板在小震作用下，1.6m 转换厚板配置 E25100 双层双向钢筋网，结构安全，受力满足要求。 6. 大震下厚板受力性能的有限元模拟 高层建筑混凝土结构技术规程 （JGJ3-2010）中规定，对于 7 度以上高层结构不应采用厚板转换结构，因此本
9、工程作为超限工程，需要对结构在大震下的受力性能进行分析，以保证结构在罕遇地震作用下，不致发生倒塌或危机生命危险的严重破坏。 将转换厚板的配筋由 E25100 双层双向增加至 E28100 双层双向，厚板单侧受力钢筋的体积配筋率变为 0.37%，在此基础上重新对厚板在大震下的受力性能进行分析。 混凝土应力图 板上皮 X 向受压钢筋应力 板上皮 Y 向受压钢筋应力 板下皮 X 向受压钢筋应力 板下皮 Y 向受压钢筋应力 通过对厚板在大震作用下的分析可以清楚的看到，转换厚板在配置E28100 双层双向时，厚板在 X 向地震作用下，厚板只在右侧墙肢个别角点处出现较大应力集中而是混凝土材料受到损坏，而钢
10、筋的应力能够满足受力要求，结构承载工作正常。综上，此工程中转换厚板在大震作用下，1.6m 转换厚板配置 E28100 双层双向钢筋时结构分析能够满足设计要求，实现大震不倒的抗震性能目标。 7. 结论 本章主要利用通用有限元分析软件 ANSYS 对转换层中处于复杂受力状态的转换厚板进行细部分析，通过对转换厚板在多遇地震以及罕遇地震下的抗震性能进行分析，研究厚板转换结构在高烈度地区的工程可行性。通过各工况下的分析比较，得出以下结论： （1） 转换厚板挠度较小。由于板厚很大，使得厚板在各荷载工况荷载下的挠度均较小，很容易满足规范中挠度的要求。 （2）转换厚板弯矩分布与板柱结构的弯矩分布相似，在柱支座
11、处和核心筒附近厚板出现负弯矩，在转换墙肢处厚板出现正弯矩，且厚板正弯矩分布范围较大。 （3）厚板在墙肢角部以及核心筒角部容易出现应力集中，且应力值很大，容易发生破坏，在实际工程中需要进行构造加强。 （4） 厚板转换应进行罕遇地震下的受力性能计算。转换厚板结构不仅要在小震下进行承载能力的分析计算，进行配筋设计，也必须对结构在大震下的抗震性能进行验算，防止结构在大震下由于个别角部发生破坏而导致结构倒塌的情况。 参考文献 1 建筑抗震设计规范GB50011-2010 2 高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ3-2010 3 唐兴荣. 高层建筑转换层结构设计与施工M 中国建筑工业出版社, 2012 4 李国胜多高层建筑转换结构设计要点与实例 中国建筑工业出版社, 2010 作者简介： 张蓓蓓，男，1985 年生，硕士研究生，毕业于天津大学结构工程专业，结构工程师。
