连体结构楼板的性能化设计

陈昌海，汤启明，徐向茜，李林，郑鹏

（重庆市设计院有限公司，重庆 400015）

1 工程概况

某工程位于重庆市江北区的CBD中央商务区。建筑面积46685.3m2，共7层。整体结构高31.7m，采用框架结构体系。柱距6～8m，楼盖采用主次梁体系。结构一、二层为大底盘裙房，二层以上为1#商业楼与2#商业楼两栋双塔结构。1#及2#楼在三～六层均由宽4～5m的连廊连接，形成连体结构，属于平面特别不规则、竖向不规则的超限高层结构。建筑效果如图1所示，典型结构平面布置如图2、图3所示。

图1 建筑效果图

图2 三层结构平面布置图

图3 五层结构平面布置图

2 设计标准

设计基准期50年，抗震设防烈度6度，地震分组为第1组，场地类别Ⅲ类，抗震设防类别为标准设防类。50年一遇基本风压0.40kPa。地面粗糙度类别定为B类。结构嵌固部位为基顶。基础等级甲级，持力层为中风化泥岩，基础形式为桩基。

3 连廊连接体与主体结构连接方式比选

连接体结构与主体结构一般有滑动连接和刚性连接两种连接方式。当采用滑动连接时，连接体结构两端的滑动支座释放水平位移，连体结构自身按简支梁设计，连接体两端的主体结构仅承担连接体结构竖向荷载，各自的水平位移不受连接体约束，结构受力简单明确。

但结合建筑布置特点来看，若该项目采用滑动连接，会带来以下不利影响：

首先，该项目大底盘裙房以上的1#商业楼及2#商业楼均为长宽比过大的长矩形平面，如商业2#楼平面长宽比（L/B）达11。并且，在各个楼层均有楼板收进形成的薄弱部位。按分塔模型计算，结构最大位移比超过1.6，结构扭转作用明显[1]。

其次，结构三～五层连接天桥数量较多，且各个连接天桥的跨度及平面位置均不同，造成滑动支座需要预留较大的变形空间。支座平面尺寸大，结构留缝宽度大，不能满足建筑功能要求。

当三～五层的连廊两端刚性连接时，商业1#、2#楼形成类环形平面，结构长宽比3.1。按整体计算，最大位移比1.38。可见刚性连接体起到协调结构整体变形、控制扭转效应的作用。同时，采用刚性连接后，结构平面不设缝，大大提高了建筑布置的灵活性及整体品质效果。综上分析，该项目在结构三～五层的天桥采用刚性连接。

六层商业1#楼分成2个小屋面，只有一个连廊与商业2#楼连接。该连廊两端设滑动支座，释放水平位移。

按上述原则进行结构布置后，形成的连体结构剖面示意如图4所示。

图4 结构剖面示意图

4 连接体楼板性能设计

4.1 连接体楼板性能目标与计算模型

在多遇地震及设防地震作用下，连接体楼板应控制混凝土开裂程度，避免楼板刚度明显削弱，保证水平力传递与协调变形能力。在罕遇地震作用下，应避免楼板受剪破坏。因此，该项目针对三～五层刚性连接体部位的结构楼板制定性能目标[2]，详见表1。

表1 楼板的抗震设计性能目标

为达到上述性能目标，对楼板薄弱部位，采用了以下加强措施：（1）增大楼板厚度，具体详见表2；（2）提高局部混凝土等级：结构梁板混凝土等级C35，刚性连接体楼板及主体结构与刚性连接体相接的楼板混凝土等级提高至C40；（3）根据楼板应力分析结果加强配筋。

表2 连接体楼板厚度

采用分块刚性力学模型进行楼板应力计算。计算中，连接体楼板及两端主体结构的楼板采用弹性板单元，最大单元尺寸1.0m。地震作用按CQC法计算，设防地震影响系数最大值amax=0.12，罕遇地震影响系数最大值amax=0.28。

结构三～五层连接天桥部位楼板较厚，竖向荷载作用下均为构造配筋。本文计算分析楼板在地震作用单工况的平面拉应力和剪力、抗拉及抗剪配筋。施工图中除满足竖向受弯配筋之外，再根据本文计算结果，额外附加配筋。经计算发现，五层连接体楼板在地震作用下正应力及剪应力均大于三层及四层连接体楼板。该受力特点与《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）第10.5.5条加强最上层连接体构造设计的要求相契合。限于篇幅，以下就以五层连接体楼板作为代表进行介绍。

4.2 多遇地震及设防地震楼板计算

多遇地震作用下，五层结构楼板正应力计算结果如图5、图6所示。

图5 X向多遇地震作用楼板正应力（N/mm2）

图6 Y向多遇地震作用楼板正应力（N/mm2）

设防地震作用下，五层结构楼板正应力计算结果如图7、图8所示。

图7 X向设防地震作用楼板正应力（N/mm2）

图8 Y向设防地震作用楼板正应力（N/mm2）

采用混凝土抗拉强度标准值作为控制楼板核心区混凝土开裂的指标。按材料力学第一强度理论可知，楼板中最大正应力不大于混凝土抗拉强度标准值[3]。从正应力云图可以看出：（1）在楼板边缘及角部区域出现应力集中；（2）在多遇地震作用下，连接体楼板最大正拉应力为0.9N/mm2，设防地震作用下，连接体楼板最大正应力2.20N/mm2下，楼板应力均未超过C40混凝土抗拉强度标准值2.39N/mm2。上述计算结果表明，在多遇地震或设防地震的作用下，楼板刚度不会因为混凝土开裂而受到明显削弱，能有效传递水平力。其正截面承载力达到预设性能目标。

《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）第10.5.7条规定，连接体楼板抗剪采用下式验算：

表3 计算结果表明，楼板截面抗剪满足要求，计算配筋面积也在合理的区间，能够满足不屈服的性能目标。楼板斜截面承载力达到预设性能目标。

表3 楼板抗剪验算

4.3 罕遇地震楼板计算

根据性能目标，大震作用下楼板抗剪截面控制条件需满足《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）公式3.11.3-4，材料强度均采用标准值：

罕遇地震楼板正应力及剪力计算结果如图9、图10所示。

图9 X向罕遇地震作用楼板剪力（kN）

图10 Y向大震作用楼板剪力（kN）

根据剪力云图可以看出：连接体楼板单位宽度最大剪力为936kN≤0.15fckbh0=1005kN，满足抗剪截面控制条件，达到预设性能目标。

5 结论

该工程为协调结构整体变形，控制扭转效应，连接体采用刚性连接。通过增大连接体楼板厚度，提高局部楼板混凝土等级及加强配筋的方式，使得连接体及周边部位楼板应力处于合理可控的范围。连接体楼板满足性能目标，在多遇地震及设防地震作用下，楼板能保证水平力传递与协调变形能力，保证了刚性连接的有效性,在罕遇地震作用下，避免了楼板的削弱部位受剪破坏。工程于2019年12月通过了超限审查[4]。