某商业楼的结构不规则及楼板温度应力分析

某商业楼的结构不规则及楼板温度应力分析

张云华

中元国际（上海）工程设计研究院有限公司

[摘要]  本工程体型复杂、平立面不规则，采用适当的防震缝将其划分为较为规则的抗侧力结构单体，获得较好的地震动反应且明显降低结构造价。本文以其中一个结构单体为例，详细分析了该结构的不规则项及超长结构的温度应力分析，从概念设计的角度上采取相应的加强措施，使结构拥有良好的抗震性能及抵抗温度作用的能力。

[关键词] 抗震缝，不规则，温度应力。

1、工程概述

本项目位于江苏省盐城市城南新区盐城站，地处通榆河南岸，地块位置在世纪大道以西，向海路以南，范公路以北。包括2栋18层甲A写字楼塔楼，两栋5层的商务办公楼，两栋3层的裙房商业，两层地下车库。其中两栋塔楼分别为两个结构单体，5层商务办公+3层商业分别为两个结构单体，之间由一个两层的钢结构连廊连通。塔楼高度为80米，商业裙楼高度为23.7米。图1-1为建筑三维功能示意效果图。本文仅以其中一栋楼Q1为例，分析该结构的不规则及超长结构楼板温度作用的受力状态。

图1-1 效果图

2、结构布置

江苏盐城地区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第三组，场地类别为Ⅳ类，设计特征周期为0.90s。

整个项目地上建筑部分平面不规则，长宽约为182mx121m，各部分楼层数、总高度相差较大，体型复杂、平立面不规则，采用适当的防震缝将其划分为较为规则的抗侧力结构单体，获得较好的地震动反应且可以降低结构造价，防震缝由嵌固端上层开始直至结构顶。结合方案外立面造型完整性需要，防震缝设置在塔楼与裙房交界处，连廊与两侧裙房分开，由防震缝分开的各单体如图2-1所示，本文介绍的Q1采用现浇框架结构体系，单向双次梁结构，楼板厚度120mm、130mm、150mm。

图2-1 结构分缝示意图

3、结构不规则分析

3.1扭转不规则

针对偏心布置（刚心与质心的偏差）导致结构在水平地震作用下扭转效应较大，扭转位移比大于1.2，小于1.4，结构计算时采用计入双向水平地震作用下的扭转影响，严格控制结构的扭转周期与第一平动周期比值，以及结构在水平地震下的位移比，使之满足规范要求并加强扭转位移比最大处的端部框架截面，如图3-1所示，端部梁截面为600x1000，柱截面为800x1200。

图3-1 端部框架加强示意图

较大洞口周边，结构内力计算及构件设计时考虑真实楼面刚度，模型取消平面刚性假定，局部采用弹性板。计入楼板局部变形的影响，按照弹性板模型的计算结果，加大板厚至150mm，并加强结构不连续处的楼板配筋为双层双向拉通配筋。

3.2 塔楼偏置及竖向收进

Q1存在竖向收进，裙房与塔楼连为一体，从严根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010第3.4.5条规定，严格扭转周期与第一平动周期比值不大于 0.85；按3.9.6条竖向收进处主楼的上下各一层提高抗震构造措施，如图3-2所示；按《高规》10.6.2加强竖向体型突变处的楼板，板厚采用150mm，双层双向配筋，配筋率0.25%。

图3-2  Q1 竖向收进处模型抗侧力构件抗震措施提高设置

3.3 长悬挑构件

Q1单体西侧端部有5-6m不等的大悬挑，对于大悬挑构件，设计中采用型钢混凝土梁、型钢混凝土柱，严格控制承载能力极限状态及正常使用挠度值。长悬挑梁挠度验算：采用YJK计算得到弹性挠度，再根据《型钢混凝土组合结构技术规程》中的长期挠度公式手算得到长期挠度。例构件悬挑长度6.0m，截面型钢混凝土600x1200（型钢：H800x300x20x25，含钢率4.2%），弹性挠度21.0mm，根据《型钢混凝土组合结构技术规程》公式5.3.2-1、5.3.2-2，得到长期挠度66.5mm，挠跨比1/526，满足规范要求1/300。并对长悬挑梁起拱进一步提高其正常使用状态性能。

3.4 超长结构温度应力分析

Q1单地上部分长约120m，宽约30m，长度超过我国《混凝土结构设计规范（GB50012-2010）》中规定的混凝土结构伸缩缝的最大间距2倍。无法忽视超长对结构的不利影响，采用YJK软件对超长进行结构分析。为了减少温度和收缩效应，在施工中拟采取以下措施：

1）在结构中预留后浇带。后浇带间距约45m。

2）控制结构合拢温度。根据盐城市气象资料，控制在月平均气温合拢。

采取以上措施后，水平构件在混凝土早期收缩引起的应力会得到控制，而竖向构件因本工程高度为23.7m，混凝土的收缩对其影响很小。同时，对结构整个施工及使用过程中的温度应力进行分析。分析过程中采取以下基本假定：

①采用带有地下室的整体模型进行分析，由于地下室基础梁板与土体接触，使用阶段温差变化不大，故模型中未考虑基础梁板的影响。

②结合施工模拟顺序，控制结构的合拢温度，全面考虑温差取值。

③计算模型上采用楼层弹性楼板6假定。

3.4.1后浇带封闭温度

结合施工进度，控制结构的合拢温度，温度后浇带封闭时气温约在10℃左右，以此为基准温度。

3.4.2正常使用阶段季节温差变化

根据可能出现的最不利的温差，考虑季节温差以及混凝土徐变的影响。对于本结构，可通过直接折减温差考虑混凝土徐变的影响，为徐变折减系数，取。考虑工程所在地年平均温度，计算取冬季-6℃，夏季36℃，因此季节最大负温差：△T1min=-6-10=-16℃；季节最大正温差：△T1max=36-10=26℃。

3.4.3正常使用阶段混凝土后期收缩当量温差

对于混凝土收缩的当量温差，考虑配合比的优化，混凝土最终收缩应变可取。在整体结构封顶，温度后浇带闭合以前，可认为混凝土已经完成了65％的自由变形，残余应变仅为210×10-6。混凝土线膨胀系数为，则收缩当量温差为△T3=21℃。

3.4.4正常使用阶段最不利系统温差

考虑上述三方面因素：季节温差、混凝土收缩当量温差以及混凝土徐变的影响，初步确定结构最不利温差为：

降温：△Tmin=k*(△T1min-△T3)=0.30*(-16-21) =-11℃

升温：△Tmax=k*△T1max =0.30*26 =8℃

实际计算时，普通楼层考虑升降温11度，屋面考虑升降温13度。

3.4.5温度应力分析结果

对楼层的楼板进行温度应力的正应力、剪应力分析，限于篇幅，仅示意二层结构布置的降温工况下的应力结果：

图3-3  二层降温 平面正应力Sx（N/mm2）

图3-4  二层降温 平面剪应力Sxy（N/mm2）

由温度应力计算结果可知，在降温作用下，楼层板大部分楼板产生拉应力及剪应力，但从云图可以看出，仅洞口旁较窄连接板处、楼板出现拐角处的位置产生较大的拉应力及剪应力，其它大部分位置的应力均相对较小，对结构整体影响不大。

楼板产生的拉应力和所有的楼板产生的压应力绝大部分均在楼层混凝土承受的范围内，作为加强措施，此部分区域楼板采用双层双向配筋，适当提高配筋率至0.25%，在楼板凹角和凸角处设置斜筋和放射筋来平衡较大内力。

综上可见，本工程温度应力作用的组合工况下，楼板弹性配筋可控。现阶段温度应力的分析还难以达到精细的程度，温度应力的分析主要反映温度应力的变化规律，在超长结构的温度应力控制中重视概念设计，采取恰当的构造措施。梁设计时，梁顶跨中至少设置2根通长钢筋；梁两侧设置腰筋，腰筋与主筋及腰筋之间间距不大于200mm，腰筋在梁两端支座按受拉锚固设计。楼板设计时，钢筋在超长方向采用双层拉通设计，本单体超长达到规范伸缩缝限值的2倍，按《结构设计统一技术措施》的要求，楼板钢筋每层沿超长方向拉通的配筋率为0.25%。

4、结论

4.1 本工程Q1单体存在扭转不规则、竖向收进、穿层柱等不规则类型。对于存在楼板大开洞、穿层柱的相关楼层，模型计算时楼板均设弹性膜，考虑楼层真实刚度，提取构件实际内力，作为构件设计的依据；同时，对大开洞处楼板，设计上加大了板厚，加强配筋。

4.2 大悬挑结构采用型钢混凝土构件，提高了构件承载能力和变形性能；本单体为主楼与裙房连为整体的结构，主楼在裙房顶上、下各一层框架均加强了抗震构造措施，楼板均加厚并加强配筋。

4.3 本单体为超长结构，施工中设置后浇带，设计对其进行温度应力分析，结合应力云图，重视概念设计，采取恰当的构造措施，加强楼板与梁的钢筋配置。

    综上所述，在设计中采用概念设计方法，根据抗震原则及建筑特点，对整体结构的体系和布置进行了详细优化，结构构件分别对不规则类型采取了相应的加强措施，使之具有良好的结构抗震性能、使用性能，各项指标均满足规范的相关要求。

参考文献

［1］高层建筑混凝土结构技术规程: JGJ 3—2010[S].北京: 中国建筑工业出版社, 2011.

［2］建筑抗震设计规范：GB50011—2010［S］．北京:中国建筑工业出版社，2010．

［3］结构设计统一技术措施：ISBN 978-7 112 21643-7［TU318.4］．北京:中国建筑工业出版社，2018.2．