高层建筑楼板应力的测试与分析

高层建筑楼板应力的测试与分析
作者：黄扬宝
来源：《城市建设理论研究》2013年第03期
摘要：主要介绍了某超限高层住宅塔楼的工程概况，验算其在风荷载、多遇地震及设防地震作用下，标准层的楼板应力分析过程，得出了薄弱部位墙体的应力分布情况，并根据结果提出了相应的抗震加强措施，以满足建筑物的结构设计要求。

关键词：超限高层；楼板应力；墙体应力；抗震加强措施
中图分类号：[TU208.3]文献标识码：A 文章编号：
1、工程概述
本超限高层住宅塔楼高143.40m，地上4层商业38层住宅，地下2层地下室。

属超B级高层建筑，在6层板面转换，为部分框支剪力墙结构。

本塔楼根据建筑功能要求并结合结构抗侧力的需要，利用电梯井、楼梯间设置筒体剪力墙，标准层墙厚为200mm～400mm。

转换层以下、塔楼中心筒体及周边部分墙体落地，其余均为框支柱转换。

为减少转换层上、下层刚度突变，落地剪力墙及筒体加厚，厚度200mm～1200mm。

针对顶层楼板上下表面温度较大而易于产生和积聚温度应力的情况，设计上除采取上述措施外，还增加部分无粘结预应力钢筋，以有效地控制温度应力引起的结构裂缝的产生和发展，确保建筑物在任何温度环境下，不出现任何形式的有害裂缝。

预应力施加在纵向的主梁和次梁上，通过梁向板施加预应力楼板的预应力筋从24层开始布置，屋面也有预应力筋。

为了验证该设计方案的有效性，积累该类工程中裂缝控制技术的成功经验，我们对该结构在没有施加预应力的22层和23层以及施加预应力的24～26层和天面，对施加预应力前后近一年内楼板的应力进行了测试，给出了不同楼层、不同测点的应力变化规律，同时对同一楼板内不同测点的应力变化以及有无预应力的不同楼板内应力的变化进行了对比分析.测试结果表明，本工程所采用的方法可行有效，试验结果对超长大跨楼板结构的温度应力控制有指导作用。

2、测试方法和测点的布置
应力测试元件采用稳定性好、抗损坏性能好、埋设定位容易和不受导线长度限制的GGH-10型钢筋应力传感器；测量仪器采用配套的具有零漂小、抗外界干扰性能强、有自动记录功能的GsJ-2A型多功能电脑检测仪。

在每层楼板布置8个应力测点，考虑到结构的对称性，8个测点全部布置在结构的同侧，所有钢筋应力传感器均沿楼面长向布置。

本工程楼板采用钢丝网加强混凝土，不便于焊接安装钢筋应力传感器，测试时将钢筋应力传感器接头两端焊接同材料同直径的钢筋到足够的锚固长度，直接置于混凝土板的中部。

测试电缆采用PVC管保护，拆除模板后48个钢筋应力传感器全部有效，由于装修过程中人为因素的影响，先后有8个钢筋应力传感器无法正常测量数据，钢筋应力传感器的损失率为16.7%，对测试结果影响不大。

3、楼板应力分析
楼板不连续是本塔楼的超限项目之一，主要对风荷载、多遇地震及设防地震作用下各层楼板应力进行分析。

通过分析，可以直观的看到结构楼面系统中的相对薄弱部位，为楼板局部加强提供了图形和数据依据。

计算分析采用北京金土木软件有限公司编制的《ETABS结构分析与设计软件》空间分析程序。

计算中楼板采用四节点壳单元，楼板在梁和剪力墙处剖分，最大单元尺寸为1.5m。

图 1103．350标高处结构
3.1 风荷载作用下楼板应力分析
风荷载取100年重现期风荷载，基本风压值=0.90kN／m。

通过分析得到，在风荷载作用下，各楼板在竖向构件附近区域，楼梯、电梯筒口周围区域及楼板有效宽度较小区域内易产生较大的应力集中，向风荷载作用下楼板面内会产生较大的向拉应力，y向风荷载作用下会产生较大的y向拉应力；在风荷载作用下，绝大部分楼板应力不大于1MPa，低于混凝土抗拉强度标准值(C30)，个别应力集中处楼板局部应力最大值大于2MPa。

转换层局部应力集中处最大值为3.4MPa，楼梯电梯筒周围区域应力最大值为3.7MPa。

3.2 多遇地震作用下楼板应力分析
在多遇地震作用下，各楼板在竖向构件附近区域，楼梯、电梯筒口周围区域及楼板有效宽度较小区域内易产生较大的应力集中，但绝大部分楼板应力最大值不大于1MPa，低于混凝土抗拉强度标准值(C30)，仅个别应力集中处楼板局部应力最大值大于2MPa。

3.3 设防地震作用下楼板应力分析
设防地震作用下楼板应力集中部位分布情况基本与多遇地震作用下分布情况相同，大部分楼板应力不大于2MPa，仅个别部位最大值会达到6MPa以上。

3.4预应力控制板温度应力的效果分析
从施加预应力前后楼板内不同测点的应力对比分析可知，对于不同的测点，在测试时间内、全部预应力完成前，楼板内压应力呈周期性的变化，这与预应力施工成周期性变化相一致;施加预应力的工作完成后，楼板内的预应力变化不再成周期性，而是压应力随时间推移有上升的趋势，这是因为预应力是加在梁上，通过梁向板传递，有一个时间滞后。

虽然我们不能对影响楼板温度应力的各项因素的影响进行定量分析，但应力变化规律表明，楼板内钢筋最大应力值大约在40MPa左右，这对于钢筋混凝土结构中的钢筋来讲是可以接受的。

钢筋应力传感器最大拉应力为13.83MPa，相应的微拉应变为69 ,假定混凝土与钢筋变形协调，则混凝土相应的微拉应变也为69。

其值远小于混凝土的极限拉应变。

楼面中应力变化规律是从中部到端部压应力由大到小减弱，考虑到楼面端部温度应力比楼面中部容易释放，本工程的预应力技术是很有效的。

测试结果说明，该项工程的综合防裂技术是有效可行的。

4、薄弱部位墙体应力分析
由于建筑设计需要，本塔楼在30层～31层空中会所部位楼层刚度变化较大，且个别外围墙体在103．350标高处与整体结构连接较弱，具体情况见图2。

用ETABS分析了部分会所外围墙体在无地震作用组合,有地震作用组合及单项荷载作用下的应力，并给出墙Q在风荷载，多遇地震作用下的应力图，见图2，图3，Q具体位置见图2。

通过分析可知，无地震作用组合工况下，Q主要产生压应力，最大值不大于 10MPa，低于混凝土抗压强度设计值(C30),103．350标高处Q，范围内墙体的轴压比不大于 0．20；在有地震作用组合工况下,Q中主要產生拉应力，但应力值均较单项地震作用下小；在风荷载与地震
作用下，最大应力值一般均小于2MPa，低于混凝土抗拉强度标准值(C30)，仅个别墙与梁连接部位应力大于2MPa；在设防地震作用下，个别墙体应力介于3MPa～4MPa之间。

图 2 Q在X 向风荷载作用下墙体应力图
图 3 Q在 X向多遇地震作用下墙体应力图
5、楼板及墙体抗震加强措施
针对本工程楼板及墙体情况，采取了以下措施：
1)采用多个程序进行比较分析，施工图设计时主要构件取各程序计算得到的不利结果进行设计。

2)对薄弱部位楼板采取加强措施。

转换层楼板厚度取180mm，转换层相邻楼层楼板厚度取150mm；各单元标准层核心筒部位的楼板厚度取150mm；屋面楼板取不小于120mm；各加强部位均采用双层双向配筋，局部应力较大的区域根据实际情况加强配筋。

3)在30层～31层空中会所部位楼层刚度变化较大，采取以下加强措施：
a.夕围跨层墙柱加芯柱，适当加强配筋，增加构件延性。

b．该2层范围内剪力墙按底部加强区剪力墙进行设计。

12～30层，103.350标高处及31层板厚不小于120mm。

4)加大底部加强区剪力墙约束边缘构件纵向钢筋及竖向分布筋配筋率；在底部筒体外围剪力墙的约束边缘构件内配置钢筋芯柱，配筋率大于0.8％，同时保证其抗剪承载能力达到“强剪弱弯”的抗震结构要求。

6、结语
总体上看，在风荷载、多遇地震及设防地震作用下，各层楼板的应力均处于可控制范围。

设计时适当增加楼板厚度，从应力图看，楼板刚度适中，足够传递水平力，不会导致水平力作用下楼板开裂从而引起楼板刚度大幅削弱的情况。

此外对部分应力集中处加强楼板配筋，使其在多遇地震作用下楼板基本处于弹性状态，在设防地震作用下楼板裂缝宽度及刚度退化程度得到有效控制。

参考文献：
[1] GB50011-2010，建筑抗震设计规范[S]．
[2] JGJ3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S]．
[3] 康光宇，易伟建．铺板楼盖开裂的原因及预防办法[J]．工业建筑，2000，21(5)：23-27．
[4] 陈胜云．砌体结构钢筋混凝土现浇楼板裂缝问题的试验研究与理论分析 [J]．天津：天津大学，2003．。