厚板转换层结构设计及其抗震性能的研究
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摘要：介绍了厚板转换层的理论根据及工程实践中的几种计算方法，并通过建立模型系统地研究了厚板转换层的抗震性能。研究表明：厚板转换层的厚板的厚度对结构的自振周期影响很小，但对结构的层间位移和最大内力值影响很大，并且随着板厚度的增加，地震作用也会增大。不同的地震波对结构的影响程度是不一样的。
关键词：高层建筑；厚板转换层；抗震性能
Abstract: It introduces the theory basis of thick plate translation layer and the calculating methods in the practice,and based on modeling, it is studied systematically that seismic performance of thick-board transfer structure. The test results revealed that the thickness of the thick plate has little effect on the natural period of structure, but has a great impact on the inter-story drift and maximum internal force.And the effect of earthquakes increases by decreasing the thickness of the thick plate. Different types of seismic waves have different effects on structure.
Keywords: high-rise building thick plate translation layer seismic performance
中图分类号：TU352.1+1文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）
0引言
现代高层建筑向多功能、综合用途发展，在同一竖直线上, 顶部楼层布置住宅、旅馆，中部楼层作为办公用房，下部楼层作商业、餐馆、文化娱乐设施.。不同用途的楼层, 需要大小不同的开间，采用不同的结构形式，而结构的合理布置正好与此相反。满足建筑功能的要求,实现这种反常规的结构布置，就必须在结构类型变化的楼层设置转换层。
按转换层的结构功能可分为三类：即实现上下层间结构类型的转换、实现上下层间柱网和轴线的转换、同时实现结构形式和轴线位置的转换。转换层又具有多种形式，如厚板式、深梁式、桁架式、斜柱式等。
厚板式转换层在解决建筑功能与建筑结构的矛盾方面有其自身的优势。它可以使高层建筑在转换层上下的墙、柱轴线不受任何限制，因而可以合理的布置构件，改善整体结构的受力情况。它特别适用于体型复杂、功能繁多的结构，能够更为灵活的实现建筑物的功能，真正体现高层建筑的优势，这是其他形式的转换层结构所不能比拟的。因此，国内外用厚板转换层的工程实例不在少数，如捷克的Kyjev Hotel、香港的绿杨新村住宅楼、深圳蛇口工业区的华彩花园等。厚板转换层结构也有其自身难以克服的缺点，例如造成结构刚度的突变而不利于抗震、自重很大、耗材偏多、施工要求较高等。本文将要探讨的是厚板转换层构件的力学特性及其设计方法。
1厚板转换层特点[1]
厚板转换层在解决建筑与结构的功能方面有一定的优势，它可以使高层建筑在转换层上下的墙、柱布置较为灵活，因而可以比较合理的布置构件，改善整体结构的受力情况。因此，它特别适用于体型复杂、功能繁多的结构，能够更为灵活的实现建筑物的功能，真正体现高层建筑的优势，这是其它形式的转换层结构所不能比拟的。
厚板转换层在目前工程设计中有以下几个特点：
a转换板的厚度一般达到两米甚至更大(如香港好运中心住宅转换板厚2米，广州天秀大厦转换板厚2.5米)，结构计算中转换层厚板属于三向受力构件，但现行结构规范如《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)、《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)对这种构件的配筋方法尚无明确规定。
b上部剪力墙传下来的荷载形式多样，分布也不规则，下部支承既有点(柱)又有线(剪力墙)。
c为减少高层建筑结构刚度突变对结构整体的影响，通常要求在厚板转换层下设置一定数量的落地剪力墙，这样就使得厚板的边界条件较难确定，而现有的厚板理论求解过程极为繁琐并且只能得到一些几何形状和边界条件都很规则的板的理论解，在工程应用上受到很大限制。这些特点使转换厚板的设计存在诸多困难。
2厚板转换层设计方法[2]
目前,厚板转换层主要有以下四种分析与设计方法：
2.1 等效交叉梁系的分析方法
当转换板上、下部结构布置规则时，可以把转换板划分为双向交叉梁系，交叉梁系通过柱联节点或无柱联节点与上、下部结构的竖向构件相连，参与结构的整体计算，根据整体分析所得的等效交叉梁系的内力，求得转换板板带的配筋。当转换板上部竖向结构构件布置不规则时，由于交叉梁系中的梁宽和合理取值很难确定，所以分析误差较大。
2.2 刚性板的简化分析方法
当转换板上部结构的面积很小，转换板的厚度大于其边长的1/10，且大于下部支承的净距的1/5时，假设厚板平面外的刚度无限大，不产生变形，按刚性层对转换板及其上，下部结构进行计算。首先，将转换板视为上部结构的固定端，计算上部结构的内力和位移，从而得到竖向构件传给转换板的荷载；其次，按刚性层的计算方法，计算下部结构的内力和位移；第三，根据上部结构与下部结构的计算结果，计算转换板的内力。这种计算方法由于是假定转换板在平面内刚度无限大，只产生位移而不产生变形，与实际情况存在较大差异，而且对建筑的整体受力分析不够明确。
2.3 设置虚梁的分析方法
设置虚梁的分析方法是指先采用高层建筑结构空间有限元分析与设计软件如PKPM系列中SATWE中定义的虚梁,建立柱联节点或无柱联节点网以形成转换板上、下部结构的力的传递，使转换板参与结构整体计算分析，再采用PKPM系列中的SlabCAD程序对转换板进行局部有限元分析。对厚板而言,剪切变形很重要。PKPM系列中的SlabCAD程序所采用的板单元为基于Mindlin假设的中厚板通用八节点等参单元，计算精度较高。
2.4 组合单元的分析方法
上述的厚板转换层结构的计算分析方法从满足工程需要的角度出发是可行的，但对于体型特别复杂的高层建筑这种精确分析是有局限的，特别是采取两步走的方法从分本质上讲是对厚板转换层的静力分析，对地震作用下厚板动力特性进行准确分析，在一定范畴内是具有局限性的。从精确的分析角度出发,应用大型的结构通用分析软件（如SAP2000），采用组合单元对结构进行整体的有限元分析，是最能反映结构实际受力的方法。但这种方法需时较长，计算机配置要求较高，不便于工程反复计算及修改。
3 建立计算模型
本文采用四种模型来计算和分析板式转换层结构转换层板厚对高层建筑抗震性能的影响。计算模型为一框架-剪力墙结构总共30层，设防烈度为7度，Ⅲ类场地，风压基本值为0.4kN/m2，转换层位于第4层顶，采用厚板转换。转换层下部为框支结构，由落地剪力墙和支承框架组成，层高4.5m，转换层上部25层为纯剪力墙结构，层高3m；楼面荷载：1～5层为10kN/m2，6～30层为8 kN/m2，1～5层柱截面1.4m×1.4m，剪力墙厚为0.35m，6～30层剪力墙厚为0.20m。1～5层混凝土强度等级为C40，6～30层混凝土强度等级为C30。转换层结构板的厚度为500mm、800mm、1100mm、1500mm。